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JOSÉ ALEX PICCOLO SANT'ANNA SUBSÍDIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS TERMOPLÁSTICOS
São Paulo 2007
JOSÉ ALEX PICCOLO SANT'ANNA SUBSÍDIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS TERMOPLÁSTICOS
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia.
São Paulo 2007
JOSÉ ALEX PICCOLO SANT'ANNA SUBSÍDIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS TERMOPLÁSTICOS
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia. Área de Concentração: Engenharia Metalúrgica e de Materiais Orientador: Prof. Doutor Hélio Wiebeck
São Paulo 2007
Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador. São Paulo, de agosto de 2007. Assinatura do autor ____________________________ Assinatura do orientador _______________________
FICHA CATALOGRÁFICA
Sant Anna, José Alex Piccolo
Subsídios para seleção de materiais termoplásticos / J.A.P. Sant Anna. -- ed.rev. -- São Paulo, 2007.
104 p.
Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
1.Seleção de materiais e processos de fabricação 2.Seleção de materiais poliméricos termoplásticos (Aplicações industriais) 3.Metodologia I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais II.t.
Às minhas meninas.
AGRADECIMENTOS
Aos meus avós Valentim (in memorian) e Lídia que, mesmo estando longe, estavam
muito perto na influência de minha formação.
Aos meus pais Alex e Cléia, que sempre me deram o suporte necessário para
chegar aonde cheguei.
Ao Prof. Dr. Márcio Morelli, meu orientador na Iniciação Científica e que muito
colaborou na minha formação acadêmica, mesmo que tenha tentado me desviar do
caminho dos plásticos.
Ao Prof. Dr. Hélio Wiebeck, meu orientador nesta jornada, por acreditar nesta nova
área de estudos que começamos no LMPSOL.
A todos no LMPSOL que, de alguma maneira colaboraram com meu trabalho,
mesmo que fosse nas conversas durante o churrasco anual.
A todos na Solvay Química Ltda, que acreditaram no meu potencial e me acolheram
tão bem, especialmente a Maria Clara Pipitone, Alexandre Guimarães e Mônica
Martins.
A aqueles na Solvay Advanced Polymers, LLC. que, direta ou indiretamente
trabalham comigo, e especialmente Edgar Benjamim, Kirit C. Desai, John Perry,
“Chuck” Rooney, Matthew Howlett e Mark Saltsman que, muitas vezes discutiram
aspectos de seleção de materiais termoplásticos na indústria comigo.
Aos meus amigos e companheiros de tantas horas Murilo, André, Rafael, Alberto,
Marreco e Cauê, principalmente aos dois primeiros que enfrentaram junto comigo as
dificuldades de fazer um mestrado enquanto se trabalha em uma grande empresa.
Ao Yuri, que me passou o “vírus” da seleção de materiais e me incentivou a seguir
este caminho e que por tantas vezes colaborou, em longas conversas, com este
trabalho.
Aos funcionários do sistema de bibliotecas da Escola Politécnica, pois sem eles,
seria muito mais difícil reunir toda a bibliografia necessária para este trabalho.
Aos funcionários da Secretaria do Departamento de Engenharia de Metalúrgica e de
Materiais, especialmente ao Franklin e a Vera, por todo o apoio necessário.
Um beijo e um agradecimento especial a minha esposa Priscilla e minha filha Stella,
que sempre acreditaram em mim e me incentivaram, muitas vezes sem nem mesmo
perceber. À Priscilla ainda devo o crédito por muitas das imagens geradas ou
adaptadas para este trabalho.
Finalmente, uma frase retirada da Dissertação do Yuri: a você, que procurou pelo seu nome nestas páginas e não encontrou, minhas desculpas e meu muito obrigado!
É melhor acender uma vela
do que praguejar contra a escuridão.
(Adágio)
RESUMO
A constante evolução dos Materiais Poliméricos e seus compostos, a procura por um
melhor desempenho e redução de peso em peças técnicas, têm levado a busca de
soluções inovadoras em materiais termoplásticos para peças tradicionalmente
produzidas em materiais metálicos. Nestes casos, a fase inicial de um projeto deve
ser realizada com muito cuidado e é onde as metodologias de Seleção de Materiais
e Processos de Fabricação (SMPF) mais podem contribuir para o sucesso de um
produto. Existem muitas ferramentas para seleção de materiais, algumas delas até
mesmo voltadas especificamente aos polímeros, mas nota-se que uma metodologia
adequada – e talvez específica - ainda seja necessária. O objetivo deste trabalho foi
analisar os métodos utilizados na academia e na indústria para a seleção de
materiais termoplásticos, bem como os bancos de dados e programas de
computador disponíveis, na busca de subsídios para auxiliar profissionais de projeto
de produtos, sejam eles engenheiros ou não. Assim, tratou-se inicialmente de
aspectos de Engenharia de Materiais e de SMPF e especificamente de Materiais
Poliméricos termoplásticos, na busca de oferecer uma base comum por meio de
definições e premissas utilizadas. Como é de interesse entender a inserção da
filosofia de SMPF na indústria de transformação de materiais termoplásticos,
investigou-se os processos de SMPF na academia e na indústria. A partir desta
investigação, é apresentada uma discussão entre as semelhanças e uma possível
intersecção entre estas duas realidades, analisando-se os sistemas existentes de
maneira a apontar caminhos para estas duas áreas e culminando com uma proposta
de modificações nas metodologias atuais para adequá-las as necessidades dos
projetistas que trabalham com materiais poliméricos.
Palavras-chave: SMPF. Metodologia. Ferramentas. Polímeros. Design. Termoplásticos.
ABSTRACT
The constant evolution of polymers and its compounds, the search for better
performance and weight reduction in parts have been leading to innovative solutions
in thermoplastic replacing metals in parts traditionally made of the later. In such
cases, the initial stages of a project needs a special care and are where the Material
and Process Selection (MPS) tools can really shine. If the designer chooses wisely
and take advantage of the design freedom made possible by the use of plastics, a
part can not only be made more economically but also with a better performance.
Many tools are available in the marketplace, some even designed to deal specifically
with polymers, but it is becoming clear that a more adequate and specific polymer
selection methodology is needed. The objective of this work is to analyze the
methodologies used in the academy and in the industry in the area of thermoplastic
materials selection, together with the databases and software available, in search for
subsidies to help product designers in their work. In this way, this work deals initially
with materials engineering, materials and process selection (MPS) and thermoplastic
materials basic knowledge, in a way to offer a basis for discussion. As it tries to
understand the MPS in the industry, these processes are investigated in the
academy first, leading to a discussion on the similarities and possible intersection
between both worlds, an analysis of the existing tools, and finally pointing towards
modifications on the actual methodologies to bring the theory of MPS to the real
world of designers.
Keywords: MPS. Methodology. Polymers. Design tools. Thermoplastics.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Pirâmide ilustrativa dos requisitos de um projeto de produto
e a divisão em projeto de engenharia e projeto industrial............................2
Figura 2: Custo operacional e comprometimento final de custos em
função das etapas de um projeto. ...............................................................3
Figura 3: Custo relativo de uma alteração no projeto em função da
etapa de projeto. .........................................................................................4
Figura 4: Esquema ilustrativo de Ciência e Engenharia de Materiais (CEM). ...........7
Figura 5: Esquema ilustrativo das áreas de Ciência de Materiais, Engenharia
de Materiais e da Ciência e Engenharia de Materiais, com suas
distinções e intersecções em relação ao escopo de trabalho em
torno do conceito, composição, estrutura, propriedades, função e
aplicação dos materiais. ..............................................................................8
Figura 6: A evolução dos materiais de engenharia. ..................................................9
Figura 7: Relação entre estrutura, propriedades e processamento dos
materiais, mostrando a sua interdependência. .........................................10
Figura 8: Da relação entre estrutura-propriedades-processo e aplicação
define-se o escopo da Seleção de Materiais (SM). ...................................12
Figura 9: O problema central da Seleção de Materiais, a interação entre
função, material, processo e forma. ..........................................................13
Figura 10: As interações que definem o volume do duplo tetraedro definem
também o escopo de atuação da Seleção de Materiais. ..........................13
Figura 11: Representação esquemática de uma estrutura de polímero
amorfo. ......................................................................................................16
Figura 12: Representação esquemática da estrutura de um polímero
semi-cristalino com domínios cristalinos (ordenados) e amorfos
(desordenados). ........................................................................................16
Figura 13: Estrutura molecular do polietileno. .........................................................17
Figura 14: representação esquemática de um esferulito. ........................................17
Figura 15: Micrografia utilizando luz polarizada mostrando a estrutura
esferulítica do polietileno. ..........................................................................18
Figura 16: Classificação dos materiais poliméricos quanto a sua
característica mecânica, térmica e de sua estrutura. ................................18
Figura 17: Comparativo de resistência à tração e módulo para alguns
polímeros carregados e metais. ................................................................20
Figura 18: Comparativo de resistência a tração resistência a tração
específica para alguns polímeros carregados e metais. ...........................21
Figura 19: Pirâmide dos polímeros destacando as diferentes classes
de polímeros quando a estrutura e desempenho, número de
produtores e volume anual produzido de cada polímero. ............................21
Figura 20: Modelo de projeto de Pahl & Beitz. .........................................................25
Figura 21: Modelo de design e seleção de materiais. .............................................26
Figura 22: Custo operacional e comprometimento final de custos em
função das etapas de um projeto. .............................................................34
Figura 23: Custo relativo de uma alteração no projeto em função da
etapa de projeto. .......................................................................................35
Figura 24: Foto de uma xícara descartável em PS. ................................................42
Figura 25: Crescimento do número de tipos diferentes de termoplásticos. ............43
Figura 26: Reprodução da tela de busca sequencial do serviço IDES em
23 de Janeiro de 2007. .............................................................................47
Figura 27: Reprodução de uma tela de comparação entre produtos
do serviço IDES em 23 de Janeiro de 2007. ............................................48
Figura 28: Reprodução da tela inicial de trabalho do serviço CAMPUS
para os materiais da empresa Solvay Advanced Polymers em
11 de dezembro de 2006. .........................................................................49
Figura 29: Reprodução de uma tela do CES Material Selector, onde
podem ser observados dois mapas de propriedades dos
materiais e linhas referentes a um determinado índice de mérito. ...........50
Figura 30: Exemplo de tela de busca avançada do serviço Matweb em
13 de Fevereiro de 2007. .........................................................................52
Figura 31: Reprodução da tela de busca do serviço AZoM em 13 de
Fevereiro de 2007. ...................................................................................53
Figura 32: Reprodução da tela de busca do serviço Omnexus em
11 de dezembro de 2006. .........................................................................54
Figura 33: Reprodução de uma tela do tutorial do serviço MAS 2.0
em 11 de dezembro de 2006. ...................................................................58
Figura 34: Reprodução de uma ficha de material do serviço Material
ConneXion em 12 de dezembro de 2006. ................................................61
Figura 35: Reprodução da tela de busca do serviço Material Connexion
em 12 de dezembro de 2006. ...................................................................61
Figura 36: Reprodução da tela de busca de materiais do serviço Matério
em 25 de fevereiro de 2007. .....................................................................62
Figura 37: Reprodução de uma ficha de material do serviço Matério em
25 de Fevereiro de 2007. ..........................................................................63
Figura 38: Reprodução da tela de busca do serviço Material Explorer em
25 de Fevereiro de 2007. ..........................................................................65
Figura 39: Reprodução de uma ficha de material do serviço Material
Explorer em 25 de Fevereiro de 2007. ......................................................65
Figura 40: Esquema de um processo de SMPF e projeto tradicional. ....................69
Figura 41: Digrama esquemático para projeto de peças plásticas. .........................70
Figura 42: Módulo de Young versus Temperatura para polímeros amorfos
e semicristalinos. .......................................................................................83
Figura 43 Comportamento da tensão e deformação de um termoplástico
carregado (Amodel AS-1145 HS da Solvay Advanced Polymers, LLC). ..89
Figura 44: Gráfico de barras mostrando a temperatura de distorção térmica
de diversos materiais. Cada barra mostra o quanto a propriedade
pode variar para uma mesmo material. .....................................................98
Figura 45: Mapa de propriedade dos materiais, Resistência mecânica versus
densidade para diversos materiais. ...........................................................99
Figura 46: Mapa de propriedade dos materiais no espaço Módulo de
Elasticidade versus densidade. Aparecem as diversas classes dos
materiais assim como as linhas guia para minimização de peso. ...........102
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Análise de similares de alguns serviços disponíveis de bancos
de dados informatizados para auxílio de seleção de materiais
poliméricos. .................................................................................................68
Tabela 2: Efeito da adição de 30% de fibra de vidro na temperatura de
deflexão térmica em alguns termoplásticos amorfos. .................................87
Tabela 3: Alguns índices de mérito utilizados em projeto. ......................................101
Tabela 4: Principais propriedades dos materiais segundo Ashby. ..........................102
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de normas técnicas
ABS – Polímero de Acrilonitrila-Butadieno-Estireno
ASA – Polímero de Acrilonitrila-Estireno-Acrilato
ASTM – American Society for Testing Materials – Organismo de normatização
Estadounidense equivalente à brasileira ABNT, embora específico para materiais
BS – British Standards – Organismo normatização britânico, equivalente à brasileira
ABNT
CLTE – Coeficiente Linear de Expansão Térmica, do inglês Coefficient of Linear
Thermal Expansion
CEM – Ciência e Engenharia de Materiais
CM – Ciência dos Materiais
DIN – Deutsche Institut für Normung – Organismo de normatização alemão,
equivalente à brasileira ABNT
DMA – Análise Dinâmico Mecânica, do inglês Dynamic Mechanical Analysis
DTUL – deflexão sob carga, do inglês deflexion under load, similar a HDT
EM – Engenharia de Materiais
FV – Fibra de Vidro
HDPE – Polietileno de Alta Densidade, do inglês High Density PolyEthylene
HDT – Temperatura de deflexão térmica, do inglês Heat deflection temperature,
também conhecido como DTUL
HIPS – Poliestireno de alto impacto do inglês High Impact PolyStyrene
HTS – Sulfona de alta temperatura, do inglês High Temperature Sulfone
IEC – Padrão para testes de propriedades elétricas
IM – Indice de Mérito
ISO – International Standard Organization – Organismo Internacional de
normatização
JIS – Japanese Industrial Standards – Organismo de normatização Japonês,
equivalente à brasileira ABNT
LCP – Cristal líquido polimérico do inglês Liquid Crystal Polymer
LDPE – Polietileno de Alta Densidade, do inglês Low Density PolyEthylene
LLDPE – Polietileno Linear de Baixa Densidade, do inglês Linear Low Density
polyethylene
MFI – Índice de fluidez, do inglês Melt Flow Index
PA6 – PoliAmida 6
PA6.6 – Poliamida 6.6
PAA – Poliarilamida
PAI – Poliamidaimida
PBT – Poli (tereftalato de butileno)
PC – Policarbonato
PE UHMW – Polietileno de ultra alta massa molar, do inglês Ultra High Molecular
Weight PolyEthylene
PEEK – Polieteretercetona
PEI – Polieterimida
PES – Polietersulfona
PET – Poli (tereftalato de etileno), do inglês PolyEthylene Teraphtalate
PMMA – Poli (metacrilato de metila)
POM – Poli óxido de metileno, também conhecido como Poliacetal
PP – Polipropileno
PPA – Poliftalamida, do Inglês PoliPhtalAmide
PPc – Polipropileno copolímero
PPC –Polifenilcarbonato
PPh – Polipropileno homopolímero
PPO – Poli óxido de fenileno, do inglês PoyPhenyleneOxide
PPr – Polipropileno random
PPS – Polisulfeto de fenileno, do inglês PolyPhenyleneSulfide
PPSU – Polifenil sulfona, do inglês PolyPhenylSulfone
PS – Poliestireno, do inglês PolyStyrene
PSAI – Poliestireno de alto impacto
PSU – Polisulfona
PVC – Poli (cloreto de vinila), do inglês PolyVinylCloride
PVC plast – Poli (cloreto de vinila) plastificado
PVC rig – Poli (cloreto de vinila) rígido
SAN – Polímero de Estireno-Acrilonitrila
SM – Seleção de Materiais
SMPF – Seleção de Materiais e Processos de Fabricação
SP – Seleção de Processos
Tg – Temperatura de transição vítrea, do inglês Glass transition temperature
Tm – Temperatura de fusão cristalina, do inglês Melting temperature
UL – Underight Laboratories
LISTA DE SIMBOLOS
� – Tensão
� – Densidade
E – Módulo elástico
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO. ......................................................................................................1
CAPÍTULO 1 – DEFINIÇÕES E PREMISSAS. ..............................................6
1.1 Aspectos de engenharia de materiais e SMPF. ....................................6
1.2 Aspectos de materiais poliméricos. ....................................................15
CAPÍTULO 2 ASPETOS ACADÊMICOS E INDUSTRIAIS DA SMPF. ..25
2.1 Seleção de Materiais e Processos de Fabricação na academia. ......25
2.2 Seleção de Materiais e Processos de Fabricação na indústria. .......33
CAPÍTULO 3 – DISCUSSÃO E PROPOSTA. ..............................................41
3.1 Seleção de polímeros e a necessidade de uma metodologia
adequada. .....................................................................................................41
3.2 Análise de Similares...............................................................................46
3.2.1 IDES...........................................................................................46
3.2.2.CAMPUS....................................................................................48
3.2.3 Granta CES Optimal Polymer Selector.......................................50
3.2.4 MatWeb......................................................................................51
3.2.5 AZoM A to Z of materials............................................................52
3.2.6 Omnexus Polymer Selector 2.0..................................................54
3.2.7 E-Funda......................................................................................55
3.2.8 Manufacturing Advisory Service 2.0...........................................56
3.2.9 Fabricantes de materiais Poliméricos Termoplásticos...............59
3.2.10 Materiotecas.............................................................................60
3.2.10.1 Material ConneXion....................................................60
3.2.10.2 Matério........................................................................62
3.2.10.3 Materioteca®...............................................................63
3.2.10.4 Material Explorer.........................................................64
3.2.11 Comparação entre os sistemas................................................66
3.3 Propostas ...............................................................................................69
3.4 Sugestões ..............................................................................................72
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................73
APÊNDICE A – Propriedades dos materiais poliméricos
termoplásticos. ......................................................................................................80
APÊNDICE B: Métodos de ensaio. ..................................................................95
APÊNDICE C: Mapas de Propriedades dos Materiais. ..........................98
APÊNCIDCE D: Biografia. ................................................................................104
1
INTRODUÇÃO
“Good design works, excellent design also gives pleasure”1
(ASHBY; JOHNSON, 2003)
Assim começa e termina um dos mais comentados artigos do professor
Michael Ashby, da Universidade de Cambridge, nos últimos tempos. O Design ou
Desenho Industrial (DI), como é conhecido no Brasil, é a arte de projetar e planejar
um produto. Neste sentido, a atividade de desenho industrial no Brasil abrange tanto
o que é conhecido no exterior como projeto de engenharia (Engineering Design)
como o projeto industrial (Industrial Design).
O desenho industrial é “uma atividade projetual que consiste em determinar
as propriedades formais dos objetos produzidos industrialmente. Por propriedades
formais não se deve entender apenas as características exteriores, mas sobretudo
as relações funcionais e estruturais que fazem com que um objeto tenha uma
unidade coerente, do ponto de vista do produtor e do ponto de vista do usuário”
(MALDONADO, 1991 apud WALTER, 2006)2.
O projeto de engenharia é aquele que visa atender funções técnicas
específicas e tem procedimentos sistematizados, amplamente conhecidos e
estudados nos diversos cursos de engenharia. Já o projeto industrial não é tão
sistemático como o nome pode sugerir e leva em conta aspectos como forma, cor,
textura e outras características estéticas do produto, e a literatura que trata deste
tema raramente menciona os aspectos básicos do projeto de engenharia,
funcionalidade e eficiência.
Para que um produto tenha sucesso, ele deve ao mesmo tempo atender aos
requisitos de Funcionalidade e Usabilidade e também dar satisfação ao usuário
(ASHBY, 2003). A Figura 1 ilustra estes requisitos.
1 Em uma tradução livre, Um bom design funciona, um design excelente também dá prazer. 2 MALDONADO, T. Design industrial. Lisboa: Edições 70, 2006. 128p.
2
Figura 1: Pirâmide dos requisitos de um projeto de produto e a divisão em projeto de engenharia e projeto industrial. Adaptada de Ashby (2003).
Geralmente, em países desenvolvidos, equipes diferentes cuidam de cada
uma destas áreas, mas no caso brasileiro, o Engenheiro, ou o Projetista (também
chamado de Desenhista Industrial ou Designer) tem a árdua tarefa de trabalhar entre
estes dois campos, que podem ser complementares, mas muitas vezes são
conflitantes.
“Um produto permanece um conceito, uma idéia, ou talvez um
desenho, se nenhum material estiver disponível para convertê-lo numa
entidade tangível” (EVBUOMWAN et al., 1995).
A sociedade atual é muito dependente de vários materiais e conforme a
compreensão sobre eles foi aumentando ao longo do tempo, novos objetos e
artefatos puderam ser manufaturados e construídos. Pode-se dizer que a evolução
da espécie humana está intimamente ligada à utilização e ao desenvolvimento dos
materiais e dos processos de fabricação e transformação destes em objetos úteis ao
homem (COHEN, 1975a). No caso do projeto de um produto, pode-se dizer que
mesmo em sua concepção inicial deve-se ter a preocupação da escolha de um
material e de um processo de fabricação para que ele se torne realidade.
Desenho Industrial
Projeto Técnico
Projeto de produto
Produto deve funcionar, ser seguro e econômico
Produto deve ser de fácil entendimento e uso
Produto deve dar prazer
Usabilidade
Funcionalidade
Satisfação
3
E é neste ponto em que podem surgir complicações, pois embora no caso
do projeto de engenharia as metodologias de Seleção de Materiais e Processo de
Fabricação (SMPF) estejam se estabelecendo, no caso do projeto industrial o
designer tem que se valer de sua formação, de sua experiência prática e das
informações que porventura tenha acesso. Isto ocorre pela falta de acesso dos
designers a informações sistematizadas sobre materiais que atendam suas
necessidades e que ao mesmo tempo não sacrifique e até estimule a criatividade
que deve ser inerente à atividade do projetista (LOVATT; SHERCLIFF, 1998).
No Brasil, isso fica claro em uma pesquisa que indicou que metodologias de
SMPF não são utilizadas por designers e arquitetos, embora os dois grupos se
mostrem muito interessados pelo tema. Esta aparente contradição se explica
justamente pelo fato de que as metodologias e sistemas disponíveis atualmente são
contraproducentes no que tange a sua utilização de maneira efetiva e, acima de tudo,
sacrificam a criatividade neste processo (ASSUNÇÃO, 2002).
A não utilização das metodologias de SMPF pode levar a complicações no
decorrer do projeto que poderiam ser evitadas pela utilização destes, uma vez que
estas complicações muitas vezes levam a um aumento no custo e no tempo para se
finalizar um projeto. Os custos decorrentes aumentam consideravelmente a medida
que ele avança e cerca de 85% dos custos totais são determinados antes mesmo da
fase de detalhamento do projeto (CHARLES et al., 2001). Este fato pode ser visto na
Figura 2.
Figura 2: Custo operacional e comprometimento final de custos em função das etapas de um projeto. Adaptado de: Charles, et al., 2001.
100
85
50
0
%
Idéia Design Conceitual e Representativo
Design Detalhado e Protótipos
Design para Manufatura
Em produção
Comprometimento de Custos Custos da Etapa
4
Analogamente, pode-se entender que é bastante caro mudar um material
escolhido erroneamente para uma aplicação crítica depois de o produto pronto, ao
mesmo tempo em que pode ser relativamente mais barato modificar o desenho da
peça logo no início de um projeto para que ela não necessite utilizar um material
mais custoso, como ilustrado na Figura 3
Projeto Conceitual
Detalhamento
Construção de ferramental
Testes e validação
Pós-lançamento
1 10 100 1000 10000 100000
Custo Relativo de uma alteração Figura 3: Custo relativo de uma alteração no projeto em função da etapa de projeto. A partir de dados tabelados por Charles et al., 2001.
Os projetistas não têm como conhecer todos os materiais e todos os
processos de fabricação, embora muitos deles sejam cobrados exatamente por isso.
Por este motivo é que foram desenvolvidas ferramentas para o auxílio de seleção de
materiais e processos de fabricação.
Embora bastante discutidos no meio acadêmico nos últimos tempos, a
sistematização dos procedimentos de SMPF ainda está longe de ser difundida na
indústria. Percebe-se que ela tem um tratamento teórico já bastante aprofundado,
mas que muitas vezes não tem relacionamento com a realidade industrial, já que
esta nem sempre segue os caminhos traçados nos modelos simplificados da sala de
aula ou do laboratório.
5
Especificamente, tem-se que:
• Existe um distanciamento muito grande entre a Academia e a Indústria;
• Teoria e prática de SMPF são bastante distantes;
• Para SMPF na indústria, formação e experiência valem mais que
metodologia e sistematização;
• Poucos recursos humanos na indústria com formação de base em
polímeros.
O objetivo deste trabalho foi analisar os métodos utilizados na academia e
na indústria para a seleção de materiais termoplásticos, bem como os bancos de
dados e softwares disponíveis, na busca de subsídios para auxiliar profissionais de
projeto de produtos, sejam eles engenheiros ou não.
Assim sendo, o Capítulo 1 trata de aspectos de Engenharia de Materiais e
de SMPF e especificamente de Materiais Poliméricos, na busca de oferecer uma
base comum por meio de definições e premissas utilizadas durante este trabalho.
Devido ao interesse em entender a inserção desta filosofia de SMPF na
indústria de transformação de materiais termoplásticos, o Capítulo 2 investiga os
processos de SMPF na academia e na indústria.
Finalmente, a partir desta investigação, o Capítulo 3 apresenta uma
discussão entre as semelhanças e uma possível intersecção entre estas duas
realidades, faz uma análise dos sistemas existentes, aponta caminhos para estas
duas áreas, culminando com uma proposta de modificações nas metodologias atuais
para adequá-las as necessidades dos projetistas que trabalham com materiais
poliméricos.
6
CAPITULO 1 – DEFINIÇÕES E PREMISSAS
1.1 Aspectos de Engenharia de Materiais e Seleção de Materiais e Processos
de Fabricação
Os materiais estão intrinsecamente ligados a cultura humana e podem ser
apontados como recursos básicos da humanidade, juntamente com energia e
informação (COHEN, 1974). Pode-se perceber este fato prestando atenção nos
objetos que nos rodeiam, que são feitos de um ou outro material.
Na busca de se determinar a natureza e o escopo da Ciência e Engenharia
dos Materiais, assim como apontar subsídios teóricos e práticos para que a pesquisa
básica em materiais pudesse ser aplicada industrialmente, a National Academy of
Sciences dos Estados Unidos criou em fins de 1970 uma comissão para estudar o
campo da Ciência e Engenharia dos Materiais denominado Committee on the Survey
of Materials Science and Engineering (COSMAT), tendo o Prof. Morris Cohen como
presidente.
Entre 1970 e 1974, o COSMAT procurou por uma base comum entre
diferentes áreas do conhecimento como metalurgia, cerâmica, química e física dos
polímeros, física do estado sólido, engenharia mecânica, processos de fabricação
entre outras, adotando as seguintes definições:
• Materiais são substâncias com propriedades que as tornam úteis em
máquinas, estruturas, dispositivos e produtos.
• Ciência e Engenharia de Materiais (CEM) é a área da atividade humana
associada com a geração e aplicação de conhecimento que relacione
composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades
e usos (COHEN, 1974).
Nota-se o foco no interesse humano pelos materiais e posicionamento da
CEM como “área meio”, fornecendo subsídios para outras áreas do saber
entendidas como “áreas fim”, usuárias deste conhecimento, como por exemplo, a
Engenharia mecânica, a Engenharia Civil, a Arquitetura e o Desenho Industrial
(WALTER, 2006).
7
O relatório desse trabalho (COHEN, 1974) também deixa claro a exclusão
de substâncias que em outros contextos também são denominados materiais, como
alimentos, drogas, água, biomassa, fertilizantes, combustíveis fósseis e o ar, que
são melhor estudados e compreendidos por outras áreas de estudo.
Foi ainda indicada a necessidade da criação de cursos de graduação
específicos de Engenharia de Materiais3 . A Figura 4 apresenta os âmbitos não
excludentes de atuação da Ciência de Materiais (CM) e da Engenharia de Materiais
(EM). Demonstra-se os conhecimentos manipulados na CEM e faz a distinção entre
as áreas de atuação da Ciência de Materiais (CM), de A a D, e da Engenharia de
Materiais (EM) de C a G.
Figura 4: Esquema ilustrativo de Ciência e Engenharia de Materiais (CEM). Fonte: Silva (1986).
3 Já neste mesmo ano era criado na Universidade Federal de São Carlos o curso de Engenharia de Materiais, pioneiro no Brasil. O relatório completo do COSMAT, particularmente o Volume 1 (COHEN, 1975a) é uma boa referência sobre a história, o escopo e a natureza da CEM e que mereceria ser abordado em qualquer curso de história da engenharia, ou mesmo em um curso introdutório a Engenharia dos Materiais. Já os volumes restantes, particularmente o Volume 2 (COHEN, 1975b), foi muito importante para traçar o desenvolvimento da CEM como área de pesquisa nos Estados Unidos, e influenciando o rumo das pesquisas em materiais ao redor do mundo. No Brasil, nunca houve um esforço semelhante, embora a CPMI presidida por Mario Covas (CONGRESSO NACIONAL, 1992) tenha tratado do assunto em meio a seus trabalhos.
8
A distinção entre essas duas sub-áreas, bem como a intersecção entre elas
pode ser visualizada na Figura 5.
Figura 5: Esquema ilustrativo das áreas de Ciência de Materiais, Engenharia de Materiais e da Ciência e Engenharia de Materiais, com suas distinções e intersecções em relação ao escopo de trabalho em torno do Conceito, Composição, Estrutura, Propriedades, Função e Aplicação dos materiais. Fonte: COHEN (1985).
Embora as definições formais e o campo de trabalho tenham sido
determinados a relativamente pouco tempo, deve-se lembrar que os materiais são
estudados empiricamente há centenas de gerações. Na antiga Grécia, por exemplo,
havia até uma palavra própria: Hilogogia, a doutrina ou ciência da matéria (COHEN,
1975a).
Historicamente, o desenvolvimento e os avanços da humanidade sempre
estiveram intimamente ligados à capacidade do homem em explorar, produzir e
manipular materiais para suprir suas necessidades. Pode-se perceber este fato pela
maneira como se denomina as eras ao longo da história:
“Nós denominamos as Civilizações pelos principais materiais que elas utilizam: a Era da Pedra, Era do Bronze, Era do Ferro. Uma civilização é tanto desenvolvida quanto limitada pelos materiais de que dispõe. Hoje, o Homem vive na fronteira entre a Era do Ferro e a Era dos Novos Materiais.”
Sir George Paget Thompson, Premio Nobel de Física de 1937, citado por SILVA (1994).
9
Os primeiros seres humanos tinham à sua disposição um número de
materiais bastante limitado, apenas os de ocorrência natural como pedra, madeira,
barro, peles de animais, por exemplo. Nesta época remota, alguns aspectos da
moderna seleção de materiais já se faziam presentes, quando, por exemplo, havia a
busca dentre esses materiais aquele que mais se adequava a uma determinada
utilização. O homem experimentou ossos e chifres, mas o material mais duro e
denso que estava disponível para ser atirado em um animal era a pedra. Pode-se
dizer que quando ele aprendeu a dar forma aos materiais e a selecioná-los e
também a comunicar o que sabia sobre eles, aí nasceu a civilização (COHEN, 1985).
Com o domínio do fogo e com o passar do tempo, o homem descobriu
técnicas para modificar esses materiais, criando as cerâmicas (como recipientes e
jarros, por exemplo.) e alguns metais, o que possibilitou um grande avanço para a
humanidade. A evolução dos materiais ao longo da história pode ser observada na
Figura 6.
Figura 6: A evolução dos materiais de engenharia. Adaptado de Ashby (1992).
CERÂMICAS, VIDROS
POLÍMEROS, ELASTÔMEROS
COMPÓSITOS
METAIS
Ferro Ferro fundido
Aços Aços liga Ligas leves
Super ligas Ligas Ti, Zr
Madeiras Peles Fibras Colas
Borracha
Bakelite Nylon
PE PMMA PC PS PP
Poliésteres Epóxi Acrílicos
Polímeros de alta temperatura Polímeros de alto módulo
Sapê Papel
PRFK PR
PRFC
Pedra Flint Cerâmica Vidro Cimento FV
Refratários Cimento Sílica Cerâmicas de engenharia Portland fundida Cermets Piro-cerâmica
Metais amorfos Desenvolvimento Ligas de Al-Li lento: Aços multifásicos principalmente Aços micro-liga controle de qualidade Novas super ligas e processamento
10000 5000 0 1000 1500 1800 1900 1940 1960 1980 1990 2000 2010 2020
DATA
IMP
OR
TÂ
NC
IA R
ELA
TIV
A
Ouro Cobre Bronze
Compostos cerâmicos
100%
75%
50%
25%
0%
10
Recentemente, principalmente após a segunda metade do século XX os
cientistas começaram a entender as relações entre a estrutura e as propriedades
dos materiais e como os processos de fabricação alteram estes dois itens. Pode-se
dizer que estes três fatores estão mutuamente relacionados, como pode ser
visualizado na Figura 7.
Figura 7: Relação entre Estrutura, Propriedades e Processamento dos materiais, mostrando a sua interdependência. Adaptado de Tomasi e Botta, 1991.
A estrutura de um material está relacionada com o arranjo interno de seus
componentes e envolve não apenas átomos, mas também a maneira pelo qual eles
se associam por meio de ligações químicas ou interações eletromagnéticas e a
disposição tridimensional destas combinações. Compreende, portanto, muito mais
que a simples composição química do material, embora seja influenciada por ela, e é
responsável pela formação do conjunto de propriedades que define um material.
A propriedade de um material é o modo – tipo e magnitude – com que ele
responde a um dado estímulo, sendo geralmente independente da forma ou
dimensões do corpo estimulado. Para fins didáticos estas propriedades são
geralmente agrupadas em 6 diferentes categorias: mecânicas, elétricas, térmicas,
magnéticas, óticas e deteriorativas (CALLISTER, 1994).
Processamento
Estrutura Propriedades
11
Propriedades mecânicas são aquelas que relacionam a resposta de um
material (em geral uma deformação) com uma carga aplicada. Propriedades
elétricas são as respostas a um campo elétrico. Nas magnéticas o estímulo é um
campo magnético; nas térmicas, o calor; e nas óticas, as radiações eletromagnéticas
(luz). Para as propriedades deteriorativas, em geral mede-se a resposta do material
à sua interação com o meio ou outros materiais, como água, ácidos, bases, oxigênio
e chama, entre outros.
Mais recentemente tem-se estudado dois outros conjuntos de propriedades,
as sensoriais e as de percepção. Aquelas são advindas da mensuração direta das
propriedades dos materiais pelo tato, visão audição, paladar e olfato e incluem as
sensações de macio ou duro, quente ou frio, aspectos de som e de odores, por
exemplo. Já as de percepção, advém da associação que uma pessoa faz com
experiências adquiridas ao longo de sua vida. Como exemplo, pode-se citar os
atributos de valioso ou barato, velho ou novo, divertido ou sério (WALTER, 2006)4.
Os materiais precisam ser processados para que se possa dar a eles as
formas desejadas e compor um objeto. Normalmente, o processamento altera as
propriedades dos materiais, pelo simples fato de que este altera de alguma forma a
sua estrutura. Como exemplo, pode-se citar que uma poliamida pode ter
propriedades completamente distintas se resfriada a partir da fusão de modo lento
ou abrupto, pelo fato de que esta velocidade de resfriamento altera o percentual e o
tamanho dos cristais em sua estrutura.
Entender estas relações faz parte do escopo de atuação do engenheiro de
materiais, assim como a área de SMPF. A SMPF forma um só campo de atividades
– e não dois, Seleção de Materiais (SM) e Seleção de Processos de Fabricação
(SPF), como se poderia esperar – pelo já citado fato de que os processos de
fabricação influem nas propriedades do material e, portanto, nas propriedades de
uma peça produzida com ele.
4 A definição destas propriedades ainda é bastante vaga, apesar dos inúmeros estudos surgidos recentemente. Destaca-se o trabalho de Ashby e Jonhson (2003), Van Benzooyen (2002) e, no Brasil, o de Walter (2006).
12
As atividades de SMPF passam pelo estabelecimento das condições de
contorno de um projeto e sua otimização, além de adequar o material a estes
requisitos, bem como aos meios de produção disponíveis, de forma
economicamente viável. Desta maneira, a natureza destas atividades é altamente
interativa. Já o projeto de um objeto, assim como sua fabricação e desempenho – o
que pode ser entendido como a aplicação dos materiais – depende da tríade
Estrutura-Propriedade-Processamento, o que levou a Tomasi e Botta (1991) a
estabelecer a Figura 8, onde indicam o campo de ação da seleção de materiais.
Figura 8: Da relação entre Estrutura-Propriedades-Processamento e Aplicação define-se o campo da seleção de materiais. Adaptado de Tomasi e Botta (1991).
Já Ashby (1992) estabelece que o processo de SM está centrado na
interação entre material, função, forma e processamento, já que a função dita a
escolha do material, assim como a forma é escolhida para que um material realize
uma função. Por sua vez, o processamento depende do material e influencia na
escolha da forma para que se realize uma função. Essas interações se realizam em
dois sentidos, uma vez que a especificação da forma restringe a escolha dos
materiais e dos processos disponíveis para fabricar um objeto com aquela forma.
Isto pode ser explicitado na Figura 9.
Estrutura
Aplicação
Propriedades
SSeelleeççããoo ddee MMaatteerriiaaiiss Processamento
13
Figura 9: O problema central da Seleção de Materiais, a interação entre Função, Material, Processamento e Forma. Adaptado de Asbhy (1992).
Para o propósito deste trabalho entende-se que a união destas duas
definições é o que poderia definir de forma mais completa e abrangente o campo da
área de SMPF. Utilizando a tríade Estrutura-Propriedades-Processamento como
base, somam-se a eles a Forma e a Função como pontos de interação, de maneira
que todos os cinco estejam ligados entre si, como pode ser visto na Figura 10.
Figura 10: As interações que definem o volume do duplo tetraedro definem também o campo de atuação da Seleção de Materiais.
PROCESSAMENTO
MATERIAL FORMA
FUNÇÃO
Estrutura
Forma
Proprie dades
Função
Processamento
14
Nota-se que as interações formam uma figura fechada com um eixo interno.
Pode-se estabelecer que a SMPF, apoiada sobre a tríade Estrutura-Propriedades-
Processamento, deve ser levada em consideração quando da escolha da forma e da
função de um objeto, fazendo com que seja necessária desde o início de um projeto.
A SM também tem uma forte ligação com a arte, embora de maneira menos
estruturada. Os artistas, artesãos, escultores, designers e arquitetos, entre outros,
sempre precisaram lidar com materiais em seu campo de trabalho. No princípio da
Era Industrial não havia a divisão clara entre arte e ciência e, nesta cisão, os artistas
ficaram com as propriedades estéticas e culturais, enquanto aos cientistas e
engenheiros couberam as propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, magnéticas,
óticas e deteriorativas.
Este distanciamento ocorreu pelo fato de que os métodos científicos não são
os mais apropriados para se deduzir as propriedades culturais dos materiais.
Tipicamente, as escolas de arte e design desenvolveram um conhecimento sobre as
primeiras propriedades, mas não sobre as outras, e os profissionais destas áreas
têm que lidar com isso pela experiência, prática e muitas vezes por tentativa e erro.
Nota-se que a propalada interdisciplinaridade não cobre áreas do
conhecimento distintas, e a fronteira entre ciência e arte nem sempre é transposta.
Falta comunicação entre as pessoas do meio acadêmico que fazem ciência e
aquelas que fazem arte. Embora isto aconteça no meio industrial, notadamente em
empresas especializadas em design5 e no passado fossem parte de uma única
disciplina, ainda são escassas as pesquisas que unam as áreas, como por exemplo,
pesquisas sobre os aspectos culturais dos materiais, o que pode ser atribuído a falta
de recursos para tal fim, uma vez que é muito difícil justificar uma pesquisa onde
opiniões podem valer tanto quanto fatos (MIODOWNIK, 2005).
Um exemplo digno de nota é o esforço do grupo dirigido pelo Prof. Ashby
em Cambridge, que tenta levar adiante esta linha de pesquisa (ASHBY, 2003);
(LJUNBERG; EDWARDS, 2003), com ramificações em escolas de design (VAN
BENZOOYEN, 2002) e, no Brasil, um grupo coordenado por Walter6, que começa a
estabelecer as bases de um trabalho neste sentido.
5 Como exemplo podemos citar a Seymour Powell (www.seymourpowell.com) e a IDEO (www.ideo.com), esta última cujos métodos de trabalho, especialmente com os materiais, podem ser melhor compreendidos por meio do trabalho de Kelley e Littman (2001). 6 MARAR, J. F. Design & Materiais: elaboração e execução de um sistema de informações para Projeto de Produto. Projeto de Pesquisa, UNESP, Bauru: 2004.
15
1.2 Aspectos de Materiais Poliméricos
Os polímeros naturais ou sintéticos são constituídos de macromoléculas
formadas por unidades que se repetem milhares de vezes, ao longo de uma cadeia
sequencial. Em grego, muitas unidades repetitivas podem ser escritas como poli
(muitas) merés (partes) e daí a denominação desta classe de materiais. Se estas
partes são sempre iguais, os materiais são ditos homopolímeros e quando se
apresentam dois ou mais tipos diferentes de unidades repetitivas (monômeros) eles
são chamados de copolímeros.
De acordo com seu comportamento mecânico, os polímeros podem ser
divididos em elastômeros, ou borrachas, e plásticos. Elastômeros são materiais
macromoleculares exibindo alta elasticidade a temperatura ambiente (23°C),
enquanto que plásticos são materiais que contém, como componente principal, um
polímero orgânico sintético e que, embora sólidos a temperatura ambiente (23°C),
tornam-se fluidos e possíveis de serem moldados pela ação de calor e pressão. O
termo “plástico” vem do grego plastikós e significa “adequado a moldagem” (MANO,
1985).
Uma outra maneira de classificar estes materiais é de acordo com a sua
resposta ao aumento da temperatura. Assim, eles podem ser classificados em
termoplásticos e termorrígidos. Termoplásticos são materiais poliméricos que
amolecem sob a ação do calor e enrijecem quando resfriados, de modo reversível.
Termorrígidos são materiais poliméricos que se tornam permanentemente rígidos
quando submetidos ao calor uma primeira vez e não amolecem se este for aplicado
novamente. Isto se deve a formação de ligações químicas entre as cadeias
moleculares. Se um calor excessivo for aplicado, essas ligações podem ser
quebradas, mas o polímero estará degradado.
Também se podem classificar os materiais poliméricos pela sua estrutura,
como sendo amorfos ou cristalinos.
Os polímeros amorfos apresentam uma baixa ou nenhuma ordenação de
curto alcance das cadeias poliméricas, como pode ser observado na Figura 11. Eles
não apresentam cristalinidade e, portanto, não apresentam ponto de fusão cristalino,
mas podem se tornar um fluido suficientemente menos viscoso para que possa fluir
e ser moldado. A temperatura em que isso começa a ocorrer é denominada
temperatura de transição vítrea, Tg.
16
Figura 11: Representação esquemática da estrutura de um polímero amorfo.
Cada polímero possui uma temperatura de transição vítrea característica e
quanto mais alta ela for, maior será a máxima temperatura de uso deste material.
Acima da Tg, as moléculas começam a se mover e as propriedades do material são
bastante modificadas. Já os polímeros cristalinos apresentam áreas onde há uma
ordenação das cadeias poliméricas de maneira que elas formem estruturas
regulares denominadas cristais, como pode ser observado na Figura 12.
Figura 12: Representação esquemática da estrutura de um polímero semi-cristalino com domínios cristalinos (ordenados) e amorfos (desordenados).
Esta ordenação pode ocorrer de várias maneiras, sendo a mais comum a de
lamelas onde as cadeias se dobram sobre si mesmas, como pode ser observado na
Figura 13.
Região amorfa Domínios cristalinos
17
Figura 13: Estrutura molecular do polietileno. Fonte: Hayden, Moffatt e Wulff (1965).
Em alguns casos, essas lamelas se arranjam em uma estrutura
tridimensional altamente ordenada a partir de um núcleo, e são chamadas de
esferulitos. Entre as diversas lamelas há também certa quantidade de material
amorfo e isto pode ser visualizado na Figura 14.
Figura 14: Representação esquemática de um esferulito. Fonte: Callister (1994).
Durante a cristalização de um polímero, vários destes esferulitos são
formados e, eventualmente se encontram, sendo deformados, o que pode ser visto
na Figura 15. Eles podem ser considerados os análogos poliméricos dos grãos dos
materiais metálicos e cerâmicos poli-cristalinos, embora cada esferulito seja na
verdade formado por vários cristais menores e um pouco de material amorfo.
18
Figura 15: Micrografia utilizando luz polarizada mostrando a estrutura esferulítica do polietileno. Fonte: Callister (1994). Os polímeros semi-cristalinos apresentam duas temperaturas características.
Uma devido a modificações na porção amorfa, a Tg, e outra devida a porção
cristalina, a temperatura de fusão cristalina, Tm, que é aquela em que os cristais são
destruídos. Na Figura 16 é mostrada a classificação dos materiais poliméricos
quanto as suas características mecânica e térmica e a sua estrutura.
Figura 16: Classificação dos materiais poliméricos quanto a sua característica mecânica, térmica e de sua estrutura.
POLÍMEROS
ELASTÔMEROS PLÁSTICOS
TERMO- PLÁSTICOS
TERMO- RÍGIDOS
TERMO- PLÁSTICOS
TERMO- FIXOS
AMORFOS SEMI - CRISTALINOS
19
As características dos materiais poliméricos advêm principalmente de suas
longas cadeias moleculares, embora elas possam variar bastante, em função da
composição química das unidades repetitivas e de sua estrutura cristalina, além é
claro da variação de tamanho das moléculas.
Por melhores que sejam estas propriedades, os polímeros quase nunca são
utilizados em seu estado puro. Eles são formulados com aditivos especiais ou na
forma de blendas poliméricas (misturas de dois ou mais polímeros) com o intuito de
melhorar ou modificar as propriedades intrínsecas dos polímeros de maneira a que
um mesmo polímero possa vir a ser transparente ou opaco, isolante ou condutor
elétrico, e que tenha alta ou baixa resistência ao impacto.
Este fato permite que um mesmo polímero base dê origem a uma ampla
gama de tipos com diferentes propriedades e consequentemente possam ser
utilizados em aplicações diversas. O exemplo mais comum é o do Poli (Cloreto de
Vinila) ou PVC, que é tanto utilizado em tubos e conexões (rígido, resistente à
pressão hidráulica), como em embalagens transparentes para acondicionamento de
sangue e plasma (flexível, transparente) ou ainda na confecção de solados para
calçados (expandido).
Em muitas aplicações, os polímeros e plásticos reforçados vêm sendo
crescentemente utilizados na substituição de outros materiais tradicionais ou são
escolhidos exclusivamente por causa de suas propriedades, muitas vezes singulares:
• Baixo peso específico, o que leva a peças inerentemente mais leves;
• Maior liberdade de desenho, o que muitas vezes permite desenhos que
seriam impossíveis em metal, por exemplo;
• Possibilidade de redução do número total de peças, o que permite
ganhos produtivos na fase de montagem das peças;
• Melhor acabamento, uma vez que a peça pode sair pronta do molde,
eliminando a necessidade de operações secundárias;
• Melhor resistência química e à corrosão, quando o material é escolhido
corretamente;
• Possibilidade de produção diretamente em cores, novamente eliminando
a necessidade de operações secundárias;
• Possibilidade de redução de custo da peça final, fator muitas vezes
determinante para a conversão de uma peça de metal para plástico.
20
Mas nem tudo são vantagens. Os plásticos são tipicamente isolantes
térmicos e elétricos e, embora possam ser aditivados para serem eletricamente
condutores, estes tipos ainda estão longe de ter o mesmo desempenho dos metais.
A baixa condução de calor ainda é um problema onde a dissipação deste é
necessária, embora os fabricantes de polímeros de alto desempenho (High
Performace Engineering Plastics) e compostos a partir destes estejam se
empenhando para acabar com essas dificuldades.
Alguns polímeros reforçados, como a Poliarilamida (PAA, como o IXEF®, da
Solvay Advanced Polymers, LLC.), já têm algumas de suas propriedades
semelhantes à de metais, como resistência à tração e acabamento superficial. Na
Figura 17 é mostrado que a resistência à tração já é comparável à do alumínio e,
embora o módulo elástico (E) seja menor, a resistência específica (resistência à
tração dividida pela densidade – �/�) é maior (SANNER; NUYTTENS, 1998), como
mostrado na Figura 18.
POMPP
PBTFV30
PA66FV30
PA66FV50PAAFV50
PAAFV60Al
Zn
Aço
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 10 100 1000
Módulo Elástico (GPa)
Res
istê
ncia
à T
raçã
o (M
Pa)
PA66
PVC ABS
Figura 17: Comparativo de resistência à tração e módulo para alguns polímeros carregados e metais. Adaptado de Sanner e Nuyttens (1998).
21
Mg
PAAFV60PAAFV50
Al
ZamakAço
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200 250 300 350 400
Resistência a Tração (MPa)
Res
istê
ncia
Esp
ecífi
ca (M
Pa/
cm3 )
Figura 18: Comparativo de resistência à tração versus resistência à tração específica para alguns polímeros carregados e metais. Adaptado de Sanner e Nuyttens (1998). Embora já seja bastante conhecida e utilizada, a representação em forma de
pirâmide mostrada na Figura 19 continua a ser um bom descritivo do mundo dos
plásticos. Por outro lado, ela pode ser falha quando se traça uma linha horizontal
para dividir esses polímeros em commodities, de engenharia e finalmente de alto
desempenho (também chamados de polímeros de engenharia de uso especial ou
ainda polímeros de engenharia de alto desempenho).
Figura 19: Pirâmide dos polímeros destacando as diferentes classes de polímeros quando a estrutura e desempenho, número de produtores e volume anual produzido de cada polímero. Adaptado de Solvay Advanced Polymers, LLC.
Número de Fabricantes
1-3
1-7
5-10
50-70
Volume Anual de Vendas
<0,4 -2 K Tons
10-50 K Tons
1 -3 M Tons
> 20 M Tons
22
Os materiais na parte mais baixa desta pirâmide são aqueles conhecidos
como de uso geral ou commodities, sendo consumidos em grande escala,
normalmente com fornecimento regional e caracterizados pelo seu baixo custo,
facilidade de processamento e utilizados geralmente onde não se necessita de
desempenho mecânico.
Os materiais na parte central da pirâmide são os conhecidos como
termoplásticos de engenharia, que apresentam um custo moderado, e propriedades
bastante melhores com relação aos de uso geral, despertando o interesse para
aplicações de engenharia. O fornecimento regional ainda é uma forte vantagem em
termos de custos.
No entanto, para muitas aplicações, propriedades mecânicas extremas, boa
estabilidade dimensional, bom desempenho a altas temperaturas são muito
importantes. Nestes casos, quando plásticos convencionais (commodities ou mesmo
de engenharia) não atendem os requisitos ou estão muito perto do limite, entram em
cena os Polímeros de Engenharia de Alto Desempenho e os de Ultra Desempenho.
Estes produtos ocupam a parte superior da pirâmide dos plásticos e
tipicamente oferecem elevada resistência química e mecânica, mesmo a altas
temperaturas. Normalmente, estes materiais não são substitutos para outros
polímeros, mas para metais, vidro e até mesmo cerâmica em casos específicos
(SANT’ANNA; WIEBECK, 2006a)7. São fabricados por poucas empresas e em escala
global, já que os volumes empregados fazem com que as fábricas tenham tamanho
reduzido e, aliado ao enorme esforço em pesquisa e desenvolvimento destes
materiais, leva a que estes produtos tenham um custo por quilo mais elevado.
Para fins didáticos essa divisão é adequada, mas o que se vê é uma zona
de transição entre essas categorias, principalmente no que se refere à parte mais
baixa da pirâmide. Em termos de propriedades, estes materiais têm às vezes
desempenho semelhante, embora os seus custos possam ser bastante diferentes, o
que faz com que sejam posicionados mais para baixo ou mais para cima nesta
escala. A divisão entre amorfos e semicristalinos é bastante interessante, já que é
uma divisão que leva em conta as diferenças estruturais e de propriedades entre os
polímeros e faz com que a visualização seja facilitada.
7 Boas descrições dos materiais de engenharia e de uso especial podem ser encontradas em Brydson (1995), Mano (1991), Margolis (1995) e Wiebeck e Harada (2005).
23
Os materiais semicristalinos em geral apresentam melhor resistência
química e à fadiga, além de aumentarem consideravelmente sua temperatura de uso
com a adição de cargas minerais ou fibra de vidro. Já os materiais amorfos
apresentam quase sempre melhores propriedades óticas (como transparência, por
exemplo) e melhor estabilidade dimensional após a moldagem, mas têm suas
propriedades muito pouco afetadas por cargas de reforço.
Para que todos estes materiais sejam transformados em objetos, eles
precisam ser processados. A indústria dos plásticos desenvolveu poucos processos
específicos para estes materiais, sendo a maioria deles uma adaptação de
processos já existentes como, por exemplo, a termoformagem (derivada da
prensagem de chapas), o processo de sopro (derivado do sopro de vidro), a
sinterização do PTFE (da sinterização cerâmica e da metalurgia do pó), a
rotomoldagem, adaptada da colagem de barbotinas, e a extrusão (derivada da
extrusão de argila e outras matérias-primas cerâmicas). Um dos poucos processos
desenvolvidos especificamente para o processamento de polímeros é o da injeção
(embora apresente certa analogia com a fundição de metais).
Pode-se dizer que a quase totalidade dos produtos produzidos em materiais
termoplásticos nos dias de hoje passou em algum momento por uma injetora ou uma
extrusora. Da extrusora obtém-se um produto contínuo e uniforme com seção
constante e é utilizada na produção de tubos, perfis, chapas, placas, fibras, tarugos
e recobrimentos em fios, cabos, chapas, filme ou papel. Muitas vezes estes produtos
semi-acabados passam por um outro processo, como usinagem ou termoformagem,
por exemplo. Na moldagem por injeção, um polímero fundido é forçado em um
molde e se solidifica enquanto esfria, quando então o molde é aberto e o processo
se reinicia. É o método mais comum para se produzir peças plásticas, pois embora o
molde tenha um custo elevado, ele permite uma alta produtividade e um baixo custo
por peça, se os volumes forem elevados.
Como citado anteriormente, deve-se levar em consideração que as
propriedades do objeto não são ditadas somente pelas propriedades dos materiais em
si, mas também pelo seu processamento8.
8 Em português, boas referências sobre o processamento de polímeros são os trabalhos de Blass (1988) e de Manrich (2005)
24
As taxas de resfriamento empregadas tipicamente nos processos de
materiais poliméricos são relativamente altas e apresentam sensível variação com a
posição do material na peça. Assim, camadas mais superficiais das peças sempre
estão expostas a taxas de resfriamento maiores. Para polímeros capazes de se
cristalizar, essas taxas diferenciais podem ter conseqüências importantes, já que vão
levar diferentes tempos de permanência do material na faixa de temperaturas de
cristalização e, portanto, a variações no grau de cristalinidade e consequentemente
densidade da peça (FERRANTE, 1996).
O gradiente de temperatura resultante leva a que em algum momento a
camada mais externa já estará solidificada, mas o centro ainda estará resfriando (e
contraindo). Quando finalmente esta peça estiver totalmente resfriada, irão existir
tensões residuais de compressão na superfície e de tração na sua linha central.
Essas tensões podem levar a empenamentos ou a formação de poros internos,
enfraquecendo substancialmente a peça e afetando sua resistência química e aos
agentes externos.
Durante o processamento, as moléculas dos polímeros tendem a adotar um
alinhamento preferencial, seja por uma tensão axial aplicada, seja por uma tensão
de cisalhamento unidirecional como, por exemplo, nas camadas superficiais de
material junto a parede do molde, criando um gradiente de alinhamento da superfície
para o centro. Como a contração é menor na direção transversal à cadeia polimérica,
haverá contração diferencial na peça.
Quando do encontro de duas frentes de fluxo, forma-se a chamada linha de
solda, e ela implica em queda nas propriedades mecânicas na sua direção, uma vez
que a interação das cadeias poliméricas ao longo deste plano é deficiente. Essa
queda de propriedades é ainda maior no caso de polímeros reforçados, já que as
interações neste caso são ainda menores e naquela região o efeito do reforço é
praticamente nulo (FERRANTE, 1996), uma vez que o reforço não ocorre ao longo
desta linha.
O desenvolvimento dos polímeros e seus compostos é um campo em franca
evolução e deve-se estar muito atento para não fechar as portas para uma
possibilidade de inovação por absoluta falta de conhecimento das possibilidades de
materiais e processos disponíveis atualmente.
25
CAPÍTULO 2 – ASPECTOS ACADÊMICOS E INDUSTRIAIS DA SMPF
2.1 Seleção de Materiais e Processos de Fabricação na academia: a teoria e
suas implicações em materiais poliméricos
O objetivo principal de um projeto mecânico é definir a forma de um
componente e os materiais de que ele será feito para satisfazer sua função
(EDWARDS, 2004). Assim, a melhor solução para um projeto somente pode ser
determinada se a partir de uma função necessária, as decisões de escolha de
material, forma e processo forem considerados simultaneamente. No entanto, a
maioria dos projetos ainda leva em consideração o modelo de design proposto por
Pahl e Beitz (1996), que é considerado um dos trabalhos fundamentais em projetos
de engenharia e que pode ser observado na Figura 20.
Figura 20: Modelo de projeto de Pahl e Beitz. Adaptado de Pahl e Beitz (1996).
O princípio básico por trás da filosofia de projeto destes autores é o de dividir
o problema em partes menores e resolvê-las separadamente, trabalhando com três
tipos possíveis de projetos (original, adaptativo e variante) e com três níveis de
detalhamento durante o projeto (conceitual, representativo, e detalhado).
NECESSIDADE DO MERCADO
CONCEITO
DETALHE
PRODUTO
ITE
RA
ÇÕ
ES
• Determinar requisitos • Considerar todas as opiniões • Avaliar viabilidade
• Analisar/modelar componentes, funções e requerimentos
• Determinar medidas aprox., layout, material e processo
• Análise detalhada/ otimização • Especificação da rota do prod. • Especificações/ desenhos
técnicos detalhados
DESIGN REPRESENTATIVO
26
Para melhor controlar o processo de projetação, esse modelo leva a uma
sequência de ações estanques, onde cada uma delas necessita de informações em
níveis diferentes de detalhamento e este processo pode ser visualizado em termos
de SMPF na Figura 21 (SAPUAN 2001).
Figura 21: Modelo de design e seleção de materiais. Adaptado de Sapuan (2001).
Uma solução alternativa que tem sido muito utilizada é a de considerar as
implicações do processo de manufatura desde o começo do projeto, o que
certamente facilita a fabricação do componente projetado, mas implica em uma
complexidade maior durante seu projeto. Ainda que estas soluções de Desenho para
Manufatura (Design For Manufacturing – DFM) estejam em uso por algum tempo,
estima-se que muitos produtos ainda tenham entre 50 e 150% mais partes montadas
que o realmente necessário
Uma possível saída para este dilema é a utilização de um modelo de projeto
de produto em termos modulares, com adição ou remoção de componentes a
medida que o projeto avança, o que pode ser facilitado pelos métodos de
engenharia simultânea atuais, sempre levando em consideração que, acima de tudo,
os procedimentos de SMPF devem estimular, e não suprimir, a criatividade do
projetista (LOVATT; SHERCLIFF, 1998).
NECESSIDADE DO MERCADO
CONCEITO
DETALHE
PRODUTO
DESIGN REPRESENTATIVO
SELEÇÃO DE MATERIAIS
TODOS OS MATERIAIS
(BAIXA PRECISÃO)
AGRUPAMENTO DE MATERIAIS
(MAIOR PRECISÃO)
UM MATERIAL
(MELHOR PRECISÃO POSSÍVEL)
27
Um comentário corrente sobre os processos de SMPF é que eles são muito
bons na teoria, mas que a complexidade dos problemas encontrados nas indústrias
não podem ser resolvidos por meio deles (BRECHET et al., 2001). No modelo de
Pahl e Beitz (1996) e em suas variantes, SM e SPF são realizados separadamente e
Brechet et al. (2001) sugere que SPF realizada desta maneira é pouco efetiva,
especialmente quando envolve processos secundários.
Já o método de Ashby pode ser melhor entendido como um procedimento de
seleção pelo método de questionário aberto, que não restringe o formato dos
requisitos de projeto e permite uma evolução destes requisitos ao longo do processo,
desde que estes requisitos possam ser traduzidos para buscar informação no banco
de dados. Estudos indicaram algumas possíveis melhorias do método de Ashby,
sendo que há necessidades latentes de desenvolvimento para lidar com situações
onde uma seleção simultânea de forma e material é necessária, e também quando o
objeto a ser produzido é muito complexo (BRECHET et al. op. cit.).
Para o caso de seleção de processos, este é em geral tratado da mesma
maneira, mas de forma separada e seqüencial, embora Brechet et al. (op. cit.)
aponte que quando já se tenha uma definição de qual classe de material se vai
utilizar, seja mais viável partir para uma estratégia de questionário fechado, que
aponta rapidamente para uma solução e não dá margem a erros de interpretação.
Esses aspectos também podem ser adaptados para o uso em projetos, onde uma
estratégia de questionário aberto, menos restritiva é utilizada nos estágios iniciais de
um projeto e a estratégia de questionário fechado é utilizada em suas etapas finais.
Neste estágio, o processo de SM está quase sempre focado em comparar
diversos materiais quanto a requisitos específicos de propriedades e escolher dentre
eles o que melhor se adequa ao projeto. Por isso mesmo, este tipo de SM é o mais
estudado nos meios acadêmicos. Já a introdução dos processos de SMPF nos
estágios iniciais de um projeto tem recebido bem menos atenção do mundo
acadêmico (DENG; EDWARDS, 2007), talvez pelo fato de que nesta etapa as
propriedades dos materiais não sejam tão críticas, mas sim a funcionalidade do
objeto em projeto.
28
Para a comparação entre diversos materiais, informações muito completas
estão disponíveis sobre materiais e processos de fabricação, muito embora a grande
maioria delas não esteja sistematizada de forma que um projetista consiga recuperar
informações de acordo com sua necessidade. A grande maioria das informações se
encontra no formato de folhas de dados (datasheets), muito úteis quando se deseja
informações específicas de um dado material, mas de muito pouca utilidade quando
se faz a busca a partir das condições de uso do material9.
Considerando que os procedimentos de SMPF devem estimular, ao invés de
suprimir a criatividade durante o processo de projetação10 (LOVATT; SHERCLIFF,
1998), e que exercer esta criatividade implica na necessidade de uma percepção
real do material, principalmente pelo contato do projetista com os materiais, algumas
pesquisas nesta área tiveram inicio.
Destaca-se o trabalho em andamento sobre bibliotecas físicas de amostras de
materiais, mais conhecidas por “materiotecas”, coordenado por Walter (2006) e
também aquele da empresa Material ConneXion, uma vez que mesmo que um
banco de dados virtual seja muito rico em informações, ele é incapaz de substituir a
experiência de contato entre o projetista e uma amostra do material acabado
(WALTER, 2005).
Segundo Walter (op. cit.), uma materioteca que sirva de fonte de informação e
inspiração para projetistas deve permitir acesso a amostras, informações sobre elas
e também sobre o relacionamento entre os diversos materiais, desta forma
permitindo que quando um usuário analise uma amostra, ou uma folha de dados, ele
seja instigado a buscar informação sobre outros materiais, por similaridade ou
contraposição.
Com a máxima de que “um bom design funciona, um excelente design
também dá prazer”, Ashby e Jonhson (2003) buscaram enfatizar o papel dos
materiais e a importância da SMPF para o desenho industrial, destacando a
importância do design como criador de personalidade dos produtos, personalidade
esta que é grandemente influenciada pelos materiais escolhidos para sua fabricação
e o acabamento dado a eles em um processo de fabricação.
9 Deve-se ter cuidado ao interpretar os dados de uma folha de dados de um material. Algumas informações úteis sobre propriedades dos materiais e sobre métodos de ensaio podem ser encontradas nos apêndices A e B respectivamente. 10 Sobre a relação entre materiais, processos de fabricação e o processo criativo, duas boas referências são os trabalhos de Manzini (1989) e Reis (2003).
29
Diferentes personalidades são atribuídas às diferentes classes e materiais11.
Por exemplo, a madeira é um material com um toque quente e considerado macio,
associado a certos sons e cheiros e tradição. Já os metais são frios, precisos,
podendo ser brilhantes e com um distinto som. Sua natureza e usos correntes
remetem a idéia de que os objetos produzidos com eles são “fortes”. As cerâmicas e
vidros têm uma tradição bastante longa e suas resistências ao risco, abrasão,
descoloração e corrosão dão certa imortalidade a objetos produzidos com esses
materiais, o que só é ameaçado pela sua inerente fragilidade. Além dessas
associações tradicionais, as cerâmicas hoje em dia remetem a associações com a
alta tecnologia, como fogões avançados, válvulas de alta temperatura e pressão,
bocais de foguete.
Finalmente há os polímeros, uma classe de material que pode ter muitos
aspectos e, deste ponto de vista, nenhuma outra classe de material pode apresentar
tantas diferentes personalidades. Inicialmente com uma má reputação – os primeiros
projetos de objetos em plástico deixavam muito a desejar – ainda hoje esta classe
carrega algum preconceito, apesar de existir uma infinidade de plásticos, que podem
cumprir as mais diversas funções, em alguns casos funções que não seriam
possíveis a nenhuma outra classe de materiais.
Dependendo de sua cor e textura, eles podem ser parecidos com cerâmicas
ou madeira, e quando metalizados, podem ter o mesmo brilho do metal.
Dependendo de sua aditivação, podem ser transparentes como o vidro ou opacos
como o chumbo, muito flexíveis ou tão rígidos quanto o alumínio, mantendo sua
personalidade própria, sendo considerados materiais quentes e adaptáveis as mais
diversas situações.
11 Vários autores vêm trabalhando na definição destas propriedades para sua utilização nos processos de SMPF, destacando-se os trabalhos de Ashby e Jonhson (2003), Ljunberg e Edwards, (2003), Van Benzooyen (2002) e, no Brasil, Kunzler et al. (2002) além de Walter e Silva (2005).
30
A partir desta análise, Ashby e Johnson (2003) realizaram uma
sistematização e agrupamento dos materiais e identificaram 4 tipos de métodos ou
estratégias para SMPF:
• Por análise: Consiste na busca de materiais e processos em bancos de
dados numéricos pelos atributos desejados ou de condições restritivas.
Atributos desejados são condições que se deseja otimizar, em geral,
trabalhadas por meio de Índices de Mérito. Condições restritivas são
requisitos de desempenho mínimos ou indesejáveis. Este método é
aquele que as pessoas tradicionalmente associam ao termo seleção de
materiais e utilizado quase sempre como sinônimo deste nos meios
acadêmicos;
• Por similaridade: todos os atributos da solução existente são
enumerados e ordenados segundo sua importância. São determinados
critérios de maior e menor importância, assim como seus valores
relativos. Pela utilização de um banco de dados sobre materiais e
processos os valores podem ser comparados com os de outros
materiais, em busca de similares. É geralmente empregado quando se
deseja substituir um material ou se utiliza um projeto como ponto de
partida para outro, uma otimização. É o método intuitivamente utilizado
na indústria de plásticos, embora sem uma formalização de
procedimentos, quando se busca um material alternativo, ou concorrente
para substituir aquele em uso;
• Por síntese: consiste da busca de informações sobre materiais e
processos em produtos existentes, pelos seus atributos de percepção. A
partir de atributos desejados de percepção, num banco de produtos, é
possível verificar quais materiais e processos são empregados para tal e
estudá-los a fim de reproduzir tal percepção;
• Por inspiração: consiste da livre busca por materiais, processos e
produtos de maneira aleatória ou por interesse do projetista, que busca
livremente pelo banco de dados e os exemplos deste na busca de uma
inspiração para o seu projeto.
31
Ashby e Johnson (2003) destacam ainda que os quatro métodos são
complementares e devem ocorrer em todas as etapas de projeto para que ele seja
mais efetivo.
A maioria dos trabalhos teóricos sobre SMPF é centrado em SM relevando a
SPF a um papel secundário. Um dos motivos para isso é que, pelas mais diversas
razões, a seleção de processos de manufatura não é sempre uma escolha livre e
nem sempre ela pode ser baseada em questões puramente técnicas e econômicas.
Isto pode ocorrer por questões estratégicas, por logística, por necessidade de
flexibilidade de produção, ou mesmo pelo tempo disponível para se realizar o projeto.
Devido a isso o projetista, mesmo tendo que considerar todas as hipóteses de
manufatura, pode acabar tendo que escolher processos que estão longe do ideal
(CHARLES, et al., 1989).
Assim, desde os primeiros trabalhos em seleção de processos (NIEBEL,
1966 apud LOVATT; SHERCLIFF, 1998)12, os pesquisadores desta área tendem a
não levar em consideração os motivos citados e consideram a SPF a partir de um
caso ideal, geralmente seqüencial a SM. Desta maneira, pouca atenção tem sido
dada ao estudo da sistematização da SPF durante os estágios iniciais de um projeto
(LOVATT; SHERCLIFF, 1998).
As metodologias de SMPF usuais hoje em dia evoluíram a partir do
empirismo e da busca aleatória de dados em handbooks e folhas de dados para
uma atividade sistematizada e, sobretudo, científica. Essa sistematização começou a
aparecer nos anos 80 com a primeira edição do trabalho de Crane e seus
associados (CHARLES, et al. op. cit.), quando foram formalizados os procedimentos
de Seleção de Materiais.
Esta formalização iniciou-se com o que se pode chamar de “funil” de
possibilidades, onde o processo de seleção ocorre pela sucessiva eliminação de
candidatos quando comparados aos requisitos. Muitas vezes, porém, os requisitos
eram tão exigentes, que frequentemente não sobravam materiais ao final do
processo. Este era então reiniciado, baseado em requisitos menos restritivos até que
se encontrasse um candidato viável.
12 NIEBEL, B.W. An analytical technique for the selection of manufacturing operations. Journal of Industrial Engineering, New York, v. 17, n. 11, p.598-603, 1966.
32
O conceito básico dos procedimentos de seleção de materiais pode ser
entendido pela “filosofia do compromisso”, onde o sacrifício de uma ou mais
propriedades é realizado em troca de uma otimização do projeto geral. Este conceito
simples pode tornar-se bastante complexo, principalmente quando as grandezas
estão inter-relacionadas como é o caso entre resistência mecânica e a resistência a
propagação de trincas, por exemplo.
Na tentativa de se facilitar a comparação de materiais, geralmente é
empregado o conceito matriz de propriedades, atribuindo pesos diferentes as
diferentes propriedades quando se compara dois materiais, como formalizado por
Pahl e Beitz (1994).
Um outro ponto pode ser, por exemplo, a influência dos processos de
fabricação sobre as propriedades dos materiais, onde muitas vezes deve-se abrir
mão do desempenho máximo para se conseguir fabricar economicamente uma peça,
ou então trabalhar com tolerâncias menores para as peças. Justamente por isso é
que SM e a SPF formam uma só problemática, a SMPF, que deve ser trabalhada de
forma única.
O trabalho de Ashby (1989) deu um grande impulso a esta área de estudos,
com a introdução do conceito de Mapas de Propriedades de Materiais (Materials
Properties Maps), que facilitaram muito a visualização das relações entre distintas
propriedades e a comparação entre elas por meio de Índices de Mérito (IM)13 ,
levando a uma generalização do procedimento de tal maneira que este deixou de
ser tratado apenas como uma ferramenta de ensino, passando a ser explorado em
casos reais (FERRANTE, 2000).
A partir desses, Ferrante (1996) define a filosofia da seleção de materiais,
como procurar entre os materiais existentes (calcula-se entre 50 e 100 mil tipos
diferentes) aquele mais adequado, por meio de sucessivas etapas de eliminação, de
modo a não ignorar possibilidades anteriormente não reconhecidas pela experiência
ou percepção do projetista.
13 Uma breve explicação sobre os mapas de propriedades dos materiais, assim como dos índices de mérito pode ser encontrada no Apêndice C.
33
2.2 Seleção de Materiais e Processos de Fabricação na indústria: a prática com
materiais poliméricos
Várias tentativas foram feitas no sentido de se adaptar as teorias de SMPF
para a utilização industrial. Nesta seção foram analisadas as mais utilizadas pelos
projetistas. Como já exemplificado, ao longo de um projeto existe uma etapa
específica onde o processo de SMPF está incluído. Nesta fase, o projetista procura o
material mais adequado baseado em seus requisitos para a aplicação.
Inglis apud Charles (1989)14 considera que seria desejável que todo escritório
(ou departamento) de design de porte tivessem em seus quadros um grupo de
pessoas dedicadas a materiais, de maneira que as informações sobre materiais e
processos de fabricação estivessem presentes nos projetos desde o seu início.
Infelizmente, no caso do Brasil este modelo é a exceção e não a regra, com a
grande maioria das empresas tendo uma equipe ou mesmo um único projetista
responsável por todas as etapas do projeto com seu conhecimento de materiais
restrito a sua experiência e a soluções tradicionais.
Existe uma necessidade de conhecimento dos materiais e de experiência
prévia por parte dos projetistas para que o procedimento de tomada de decisões nos
processos de SMPF tenha êxito, e isto tem levado a criação dos chamados expert
systems ou Knowledge Based Systems (EDWARDS 2005) como os desenvolvidos
por Sapuan (2001).
Bancos de dados e sistemas computadorizados não são muito utilizados em
países em desenvolvimento ou em pequenas empresas com poucos recursos. O
que realmente faz a diferença nestes casos é a experiência e o que sabidamente
funciona, o que, na maioria das vezes, leva a soluções conservadoras (EDWARDS,
2004).
É justamente pelo fato de que na maioria dos projetos o conteúdo de
inovação tem sido muito pequeno, que a SM tradicionalmente só entra em cena
quando o trabalho já está num estágio avançado (CHARLES et al, 2001), e que o
conhecimento de materiais e a experiência de um projetista com eles são vitais para
as tomadas de decisão durante o projeto.
14 INGLIS, N. P. Selection of Materials and Design: lectures delivered at the Institution of Metallurgists and the Institution of Mechanical Engineers refresher course, October 1966. , London: Institution of Metallurgists/Iliffe, 1967.
34
As metodologias atuais de SMPF são mais adequadas às etapas finais de
projeto de produto e algumas escolhas de material/processo na fase de projeto
conceitual podem levar a problemas insolúveis ou a complicações na fase de
detalhamento que poderiam ser evitadas se os métodos de SMPF estivessem
melhor sedimentados para a fase conceitual dos projetos. Esses problemas implicam
muitas vezes em um retorno a fase conceitual, com um aumento no custo e no
tempo para se finalizar o projeto (WALTER et al, 2005).
Sobre isso, Charles et al. (2001) procurou quantificar estes valores,
apresentando os custos relativos de uma mudança em cada etapa do projeto e
também o comprometimento de custos versus os custos ao longo deste, como pode
ser visto na Figura 22 e na Figura 23. Nota-se que os custos para se modificar um
projeto aumentam consideravelmente à medida que ele avança e que cerca de 85%
dos custos totais são determinados antes mesmo da fase de detalhamento do
projeto.
Figura 22: Custo operacional e comprometimento final de custos em função das etapas de um projeto. Adaptado de: Charles, et al., 2001.
100
85
50
0
%
Idéia Design Conceitual e Representativo
Design Detalhado e Protótipos
Design para Manufatura
Em produção
Comprometimento de Custos Custos da Etapa
35
Projeto Conceitual
Detalhamento
Construção de ferramental
Testes e validação
Pós-lançamento
1 10 100 1000 10000 100000
Custo Relativo de uma alteração Figura 23: Custo relativo de uma alteração no projeto em função da etapa de projeto. A partir de dados tabelados por Charles et. al., 2001.
Analogamente, pode-se entender que é bastante caro mudar um material
escolhido erroneamente para uma aplicação crítica depois de o produto pronto, ao
mesmo tempo em que pode ser relativamente mais barato modificar o desenho da
peça para que ela não necessite de um material mais caro quando do início do
projeto.
Por estes motivos, é tão importante que os processos de SMPF estejam
presentes de maneira consciente e participativa desde o mais absoluto começo de
um novo projeto. Uma escolha incorreta de um material, processo de fabricação, ou
a não modificação de um desenho para uma combinação material-processo podem
levar a custos totais muito mais altos do se poderia esperar.
O processo de SMPF, conjuntamente com a incorporação de elementos de
design específicos para estes materiais, no começo de um processo de
desenvolvimento, pode eliminar muitos problemas e modificações no desenho da
peça, reduzindo o tempo de desenvolvimento e os custos do projeto até que se
chegue ao desenho final.
A constante evolução dos materiais poliméricos e seus compostos, a busca
por um melhor desempenho e redução de peso, têm levado um grande número de
empresas a buscar soluções inovadoras em materiais termoplásticos para a
produção de peças tradicionalmente produzidas em outros tipos de materiais ou
mesmo na busca de um melhor desempenho das peças existentes.
36
Esses materiais podem, na grande maioria das vezes, atender aos requisitos
de projeto com uma outra importante vantagem: a redução do custo total da peça.
Todos esses benefícios advêm principalmente das vantagens dos materiais
poliméricos em termos de possibilidades de design e processos de fabricação.
No caso de conversão de peças de outros materiais para plásticos, a maioria
dos designers ainda pensa em uma substituição pura e simples de material, e como
resultado tem-se um longo ciclo de desenvolvimento, o que pode tornar o processo
todo muito custoso e muitas vezes frustrante. Em um mercado global e cada vez
mais competitivo, esse é um luxo que os projetistas raramente têm, já que o tempo
entre o desenvolvimento e a chegada do mesmo a prateleira é um importante fator
no sucesso ou fracasso de um produto.
As diferenças inerentes entre as classes de materiais devem ser levadas em
consideração desde o começo do projeto. Uma peça desenhada para ser produzida
em metal deve ser devidamente redesenhada para que possa não só ser produzida
adequadamente, que as vantagens da utilização dos plásticos sejam efetivamente
aproveitadas para que os objetivos sejam plenamente atingidos (SANT’ANNA;
WIEBECK, 2006b).
Embora algumas vezes a conversão de uma peça de metal para plástico
seja impossível, em geral não se consegue realizá-la de maneira satisfatória por não
se realizar modificações no design da peça para a utilização de materiais poliméricos,
por não se adotar uma metodologia para isso e tolerâncias muito justas ou ainda
uma combinação de todos esses fatores (SANT’ANNA; WIEBECK, 2006a).
Para peças plásticas (injetadas) seu desenho é provavelmente o ponto mais
importante quanto a custos. De acordo com Desai (2004), pesquisas na indústria de
plásticos nos EUA indicam que estes fatores correspondem a 20% do tempo total de
desenvolvimento e afeta 80% do custo total de uma peça.
Desta maneira, é muito importante implementar ferramentas como
Engenharia Simultânea, Desenho para Usinagem e Montagem (Design for
Machining and Assembly – DFMA) e Engenharia Auxiliada por Computador
(Computer Aided Engineering – CAE), antes que o desenho definitivo seja adotado e
se comece a construção do molde.
37
Embora a filosofia de SMPF seja muito debatida entre os engenheiros em
geral, ela ainda é bastante incipiente entre aqueles que trabalham com materiais
poliméricos. Ainda assim, o processo de seleção de materiais é tradicionalmente um
dos primeiros passos de um novo projeto de peça técnica. Como o fator
preponderante nos dias de hoje é sem dúvida o custo, um processo de SMPF deve
levar em conta vários fatores para se chegar a uma boa relação de desempenho
versus custo.
Uma das metas gerais do projeto de produto é assegurar a forma mais
simples para que um objeto atenda aos requisitos do processo, uma vez que
aumentar a complexidade geométrica de uma peça limita os processos de
fabricação possíveis e aumenta seus custos. Já o principal critério de SMPF em
projeto de produto é o de maximizar a qualidade de um produto ao mesmo tempo
em que se minimiza o seu custo. Desta maneira, o projetista deve trabalhar para que
ao final de uma única etapa de processamento o objeto esteja o mais próximo
possível do objeto final, requerendo apenas um mínimo de montagem e acabamento.
É justamente neste momento onde uma das vantagens do processo de
injeção de plásticos aparece. Quando o projeto de produto é bem feito, este
processo pode produzir muitas vezes uma peça com a forma, a cor, o acabamento e
as tolerâncias desejadas a custos comparativamente mais baixos que outras
combinações material/processo de fabricação.
A Seleção de Materiais para Design requer um bom entendimento das
propriedades requeridas na aplicação envolvida, já que alguns termoplásticos têm
propriedades que nem sempre obedecem à lógica do senso comum de um leigo e
mesmo aquelas que são conhecidas por este, ainda podem apresentar surpresas.
Como exemplo, pode-se citar que existem plásticos que podem resistir vários minutos
sob a intensa chama de um maçarico, – PrimoSpire™ da Solvay Advanced Polymers
(SELF REINFORCED POLYPHENYLENE) – e o PVC que embala os alimentos
também é utilizado no transporte de água para residências.
38
Às vezes pode ser difícil assimilar todas essas características, mas o
projetista responsável por SMPF deve entender muito bem a aplicação da peça em
que trabalha e também estar aberto às possibilidades que os plásticos lhe trazem do
ponto de vista de design. É altamente recomendável trabalhar conjuntamente com os
fornecedores de matéria-prima desde o começo do projeto, para maximizar essas
possibilidades.
No atual estágio de desenvolvimento dos plásticos (commodities, de
engenharia ou de alto desempenho), muito do que se pode projetar e produzir era
impensável até bem pouco tempo e outras só não são produzidas por não se ter
informações a respeito de determinado material ou processo.
O projeto de peças em plástico pode ser dificultado devido ao fato de que a
maioria dos projetistas ainda tem uma mentalidade muito influenciada pelas
propriedades dos metais (SANT’ANNA; WIEBECK, 2006a) e não tem experiência de
sucessos em projetos com termoplásticos.
Devem ser levadas em consideração as diferenças inerentes entre estas duas
classes de materiais, como por exemplo, o menor módulo de elasticidade e os efeitos
da temperatura e do processamento nas propriedades dos polímeros. Além disso,
muitas vezes os materiais plásticos utilizados são na verdade compósitos, pois levam
uma combinação de fibras e outros aditivos em sua composição e, por causa disto,
são normalmente anisotrópicos.
Um outro ponto a ser levado em consideração é que as propriedades da peça
são ditadas não só pelas propriedades dos materiais em si, uma vez que o
processamento e o próprio desenho da peça (e do molde no caso de peças injetadas
ou termoformadas) podem influenciar as propriedades. Assim, é sempre importante
ter em mente que as propriedades podem variar dentro de uma mesma peça. Em
português, duas referências sobre o processo de injeção e do projeto de moldes são
os trabalhos de Manrich (2005) e Harada (2005).
Devido a toda esta complexidade e a necessidade de se contar com dados
confiáveis para todo o projeto, a fase inicial do mesmo (Concept Design) deve ser
realizada com muito cuidado e vários autores insistem para que os processos de
SMPF façam parte do projeto desde o seu mais absoluto início de forma
sistematizada.
39
Nesta fase aparece um outro problema, já que muitas vezes o projetista não
sabe realmente os requisitos do projeto, ou os requisitos não têm conexão com a
realidade, o que faz com que produtos sejam muitas vezes projetados com
excessiva cautela, o que é conhecido como overdesign.
Este fato leva a que em um processo posterior que poderia ser de
otimização acabe sendo um processo de redesign, muito mais custoso. Nunca é
demais lembrar que um trabalho bem feito de definição de requisitos de uma peça
pode permitir mais opções em termos de combinações de materiais e processos.
Por outro lado, uma definição de requisitos excessivamente conservadora e
segura pode levar que não existam combinações de materiais e processos possíveis
em uma etapa conceito, ou mesmo que exista apenas uma combinação material e
processo, de maneira que isto limite a criatividade do projetista.
Neste sentido, as atividades de desenho industrial e de projeto técnico estão
mais distantes. Enquanto no primeiro caso a busca por inovação e os processos
criativos são estimulados, no segundo quase sempre se busque a segurança e o
conservadorismo, apesar do discurso em contrário. Tradicionalmente, a inovação em
projetos técnicos só ocorre por necessidades específicas, como aquelas da indústria
aeroespacial ou das competições automobilistas de alto nível.
Estas diferenças são levadas também para as escolhas de materiais em
projetos, e o exemplo mais latente disto é o conceito de materiotecas. Pode-se dizer
que este conceito nasceu de uma necessidade dos designers em ter contato com os
materiais que eles iriam trabalhar de modo a estimular a sua criatividade. Uma união
de materiais em um lugar específico deu origem então a um banco de dados
relacionado a diversas amostras de materiais e produtos fabricados com eles.
As idéias e os métodos de trabalho dos designers da IDEO tornaram-se
conhecidas (KELLEY; LITTMAN, 2001) de tal maneira que pesquisas acadêmicas
começaram a aparecer nestas áreas, como por exemplo, Ashby; Johnson (2002),
Van Bezooyen (2002) e, no Brasil, Marar e seu grupo15.
15 MARAR, J. F. Design & Materiais: elaboração e execução de um sistema de informações para Projeto de Produto. Projeto de Pesquisa, UNESP, Bauru: 2004.
40
Atualmente os projetistas envolvidos em projetos técnicos estão tomando
conhecimento destes sistemas, ou mesmo de sistemas dedicados especificamente a
seleção de materiais. No caso específico dos materiais poliméricos, a utilização de
bancos de dados de materiais é praticamente exclusividade das empresas
multinacionais, sendo utilizados muito mais como fonte de informação do que como
ferramenta de auxílio a projeto.
41
CAPÍTULO 3 – DISCUSSÃO E PROPOSTA
3.1 Seleção de polímeros e a necessidade de uma metodologia adequada.
Embora a seleção de materiais tenha evoluído muito nos últimos tempos,
ainda há uma tarefa enorme que é a de fazer com que ela seja utilizada de modo
eficaz no dia-a-dia dos projetistas (engenheiros e designers) de produto. Neste
sentido, os materiais poliméricos, por serem aqueles mais novos e enfrentarem uma
grande carga de preconceito, são os que talvez mais necessitem de uma
metodologia específica.
A variação de propriedades que um mesmo polímero pode apresentar pela
mudança em sua aditivação (fibras, cargas, modificadores de impacto, reticuladores,
espumantes, nucleantes, etc) é tão grande que os gráficos de Ashby tornam-se de
pouca utilidade para aqueles com algum conhecimento na área de polímeros.
Uma vez que se vislumbra possibilidade de se projetar algo em plástico, toda
uma nova concepção de projeto deve ser pensada. Uma ótima peça projetada com
um metal como matéria-prima provavelmente é um projeto apenas mediano quando
apenas “traduzido” para plástico.
Por sua vez, uma conversão de uma peça de outro material para plástico
exige todo um retrabalho e repensamento das bases do projeto. As diferenças
inerentes entre as classes de materiais devem ser levadas em consideração desde o
começo do projeto. Uma peça desenhada para ser produzida em metal deve ser
devidamente redesenhada para que possa não só ser produzida adequadamente,
mas que as vantagens da utilização dos plásticos sejam efetivamente aproveitadas
para que esta conversão atinja plenamente seus objetivos.
Vários guias de desenho de peças plásticas estão disponíveis 16 ,
principalmente para peças injetadas, que ajudam os projetistas. No caso de extrusão
ou termoformagem, no entanto, as opções são muito restritas e a falta de
conhecimento ou experiência do projetista pode levá-lo a eliminar opções que
exigem uma visão do todo.
16 Infelizmente, um bom guia geral não está disponível em português. Só encontramos, quando muito, roteiros bastante genéricos ou os guias de desenho dos fabricantes de matérias-primas.
42
Um bom exemplo é que normalmente não seria levada em consideração a
produção de uma xícara pelo processo de termoformagem a partir de uma chapa de
material polimérico. Por conta da “asa” do objeto, a escolha natural seria o processo
de injeção. No entanto, se seu formato puder ser modificado para se adequar ao
processo, isto pode se tornar viável, como se pode ver na Figura 24, que mostra
uma xícara descartável produzida em Poliestireno (PS) a custos módicos. Esta é
uma boa alternativa aos copos descartáveis para se consumir café, por exemplo.
Figura 24 : Foto de uma xícara descartável em PS.
No dia-a-dia de projetos, a seleção de materiais ocorre de algumas formas
pouco sistemáticas: ou se faz uma pesquisa procurando que material é utilizado para
aquela aplicação (o que seria equivalente a SM por análise, embora sem método),
ou se busca uma alternativa imediata a ele, de preferência com alguma redução de
custo (equivalente a SM por similaridade, sem método). E muitos casos, estas duas
formas de SM trazem apenas evoluções a um projeto já existente, de modo que os
projetistas deixam de aproveitar todos os benefícios de um processo de SMPF
integrado ao projeto.
Isto dá pouca margem à inovação, já que poucos são aqueles que pensam
no problema e muitos são os que pensam na solução. Um típico exemplo disso é o
corpo de borboleta que controla a mistura ar/combustível do motor de automóveis.
Os projetistas pensam em como transformar a solução utilizada hoje em dia em
alumínio, em uma peça plástica, quando na verdade deveriam estar procurando uma
solução mais eficiente (mais leve, mais barata, mais simples, etc.) para o problema
de se regular o fluxo da mistura ar/combustível entrando no motor.
43
A vasta gama de propriedades dos materiais poliméricos, e muitas vezes o
desconhecimento por parte dos engenheiros/projetistas sobre isso, leva a
necessidade de se adequar as metodologias de SMPF à problemática da seleção de
materiais poliméricos e sua popularização, para que sejam melhor aproveitados na
indústria em geral.
O desenvolvimento dos materiais poliméricos e seus compostos é um campo
em franca evolução e um projetista deve estar sempre atento para não desprezar
uma possibilidade de inovação por absoluta falta de conhecimento. A SMPF possui
um valor muito grande em todo o processo de design e deveria ser pensada de
modo mais holístico.
Existem hoje em dia mais de 60.000 diferentes tipos (grades) de materiais
termoplásticos disponíveis no mercado, e este número cresce dia-a-dia (KMETZ,
2006), como se pode ver na Figura 25.
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
70.000
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Ano
Núm
ero
de ti
pos
disp
onív
eis
Figura 25: Crescimento do número de tipos diferentes de termoplásticos. Adaptado de Kmetz (2006).
Pode-se notar que mesmo com todo o esforço de racionalização dos tipos e
da globalização, nos últimos anos o número de tipos diferentes vem aumentando
rapidamente, embora tenha apenas poucas introduções de novas famílias de
materiais poliméricos.
44
Isso se deve principalmente ao fato de que os fabricantes de matérias-
primas procuram desenvolver tipos cada vez mais específicos para uma dada
aplicação, no intuito de melhorar a relação custo versus benefício e garantir seu
espaço no mercado.
O esforço para compilar dados de todos estes materiais é grande, o que leva
ao problema de limitar a carga de trabalho ao mesmo tempo em que se busca tornar
a informação disponível o mais relevante possível. Embora existam folhas técnicas
de dados bastante completos que listam até 64 propriedades, a maioria delas lista
um número bem menor, uma vez que se estima que uma folha de dados
relativamente completa possa custar ao redor de 15.000 dólares (IDES, 2003).
Mesmo com a maior quantidade de dados possíveis, vários problemas ainda
persistem. A grande maioria das propriedades listadas em uma folha de dados de
um fabricante de matérias-primas é gerada a temperatura ambiente (geralmente
23˚C). Sabe-se 17 que praticamente todas as propriedades dos polímeros são
dependentes da temperatura, o que faz com que os dados apresentados sejam, na
melhor das hipóteses, uma aproximação do que pode acontecer na realidade da
aplicação de um material. Além disso, os números apresentados representam em
geral apenas um ponto do comportamento de uma propriedade que segue uma
curva, esta sim muito mais informativa do ponto de vista do engenheiro projetista.
O exemplo clássico é a curva de tensão x deformação de um ensaio de
tração, tão enfatizada nos livros texto de Ciência e Engenharia de Materiais (VAN
VLACK, 1984); (CALLISTER, 1994); (SMITH, 1995). Ela representa muitas
informações, e não somente dados isolados, ainda mais quando se tem informações
disponíveis como o comportamento da curva sob diferentes condições. Infelizmente,
para que se pudessem incluir vários gráficos em uma folha de dados, além de suas
respectivas explicações, ela se tornaria demasiadamente extensa, deixando de ser
prática, embora os fabricantes de materiais poliméricos termoplásticos,
especialmente os de engenharia e de uso especial façam exatamente isso nos seus
design guides (SOLVAY ADVANCED POLYMERS, 2003); (BASF, 2004); (GE
PLASTICS, 2006).
17 Por exemplo, Billmeyer (1971), Brydson (1975), Callister (1994), Mano (1991), Margolis (1995) Ogorkievicz (1974).
45
Por praticidade, colocam-se simplesmente os números representativos de
módulo, tensão de ruptura e alongamento de ruptura, que permitem uma rápida
comparação (embora superficial e muitas vezes errônea) entre diferentes materiais.
Com o advento de bancos de dados computadorizados, torna-se muito simples
classificar e categorizar materiais baseados nos dados pontuais publicados pelos
fabricantes.
E essa simplificação pode levar a falsa idéia de que a tarefa de seleção de
materiais e especialmente a de materiais poliméricos seja bastante simples, não
passando de uma escolha que se afunila conforme se entram as características
(quase sempre numéricas) que atendam aos requisitos de um projeto. Ainda assim,
ou justamente talvez por isso, muitas peças falham em serviço por que a seleção de
materiais não levou em consideração todos os fatores necessários.
Para que se possa traduzir esses números em informação real para
utilização em projetos sem gastar um tempo desproporcional a importância dele, é
necessário um entendimento básico da ciência dos materiais poliméricos. Uma vez
que um pouco da teoria é entendida, padrões de comportamento para as diferentes
famílias dos polímeros podem ser deduzidos, e os números nas folhas de dados
podem ser melhor entendidos dentro do seu contexto.
Uma breve explanação sobre algumas das propriedades comumente
encontradas em folhas de dados pode ser encontrada no Apêndice A, onde se
procura enfatizar os aspectos importantes para o projeto de peças, como o método
de teste, seu significado e também os efeitos da temperatura sobre essas
propriedades. O Apêndice B apresenta uma breve discussão sobre os métodos de
teste utilizados na determinação destas propriedades.
46
3.2 Análise de Similares
Durante a década de 80 começaram a aparecer os bancos de dados
informatizados que visavam a busca de materiais para auxiliar na seleção de
materiais, embora com dados limitados sobre materiais poliméricos e sem uma base
teórica bem fundamentada, até porque os procedimentos de SMPF ainda não
haviam sido sistematizados e tornados eficientes para o uso não acadêmico. Esses
bancos de dados evoluíram a ponto de se tornarem ferramentas bastante utilizadas
na indústria, embora com algumas limitações, como pode ser entendido a seguir.
3.2.1 IDES (www.ides.com)
O IDES apareceu pela primeira vez em 1986 como um handbook, a partir de
uma necessidade da IBM sobre informações confiáveis sobre materiais poliméricos e
logo foi transformado em um banco de dados eletrônico e disponibilizado na internet
na metade da década de 90, sendo hoje amplamente reconhecido como a maior
ferramenta de busca vertical sobre materiais poliméricos e folhas de dados de
fabricantes.
Para isso, aceita dados de qualquer fabricante que se disponha a enviá-los,
não confirma nenhum dos dados, mas ao mesmo tempo não cobra nada dos
fabricantes. Se um produto não for encontrado durante uma busca, a IDES busca o
fabricante e o produto e o adiciona ao banco de dados a partir das informações do
solicitante, uma maneira interessante de aumentar o número de produtos em seu
catálogo.
Estão disponíveis 64.630 fichas técnicas de produtos termoplásticos
provindos de 453 fabricantes de matérias-primas (IDES, 2006a), além de alguns
termorrígidos e elastômeros. Essas fichas técnicas variam muito em quantidade de
dados disponíveis, já que dependem dos fabricantes em si. Os dados seguem às
normas ASTM, sendo os dados ISO disponíveis somente quando o fabricante as
disponibiliza voluntariamente ou o mesmo material pode ser encontrado no banco de
dados do sistema CAMPUS.
47
Segundo o próprio IDES, 42.143 (IDES 2006b) empresas utilizam seu
sistema regularmente e serve de base para muitos materials selectors de fabricantes
de termoplásticos incluindo Solvay, GE, BASF, Bayer, Basell, Dow, Dupont,
ExxonMobil, Lanxess, LG (IDES, 2006c).
Sua usabilidade é muito boa, embora as ferramentas mais úteis em um
verdadeiro processo de SMPF sejam cobradas (entre US$ 500 e US$ 700 por ano).
A parte “livre” da página é uma boa fonte de informação geral, além de possibilitar o
acesso a folhas de dados individuais. Comparações, materiais alternativos e buscas
avançadas, entre outros, estão na área paga. Está disponível somente em língua
inglesa. A reprodução de uma tela de busca por propriedades pode ser encontrada
na Figura 26, e uma comparação entre diferentes materiais na Figura 27.
Figura 26: Reprodução da tela de busca seqüencial do serviço IDES em 23 de Janeiro de 2007.
48
Figura 27: Reprodução de uma tela de comparação entre produtos do serviço IDES em 23 de Janeiro de 2007.
Seu foco original eram os projetistas buscando materiais para suas
necessidades e daí se explica a boa usabilidade, mas é também muito utilizado por
moldadores e provedores de matéria-prima buscando informação consolidada em
um único lugar. Bons atributos são a lista de materiais aprovados pelas grandes
indústrias automobilísticas (FORD, GM, Daimler-Chrysler) e a busca por materiais
alternativos. Infelizmente, ainda não oferece possibilidade de integração de dados
com sistemas de análise de elementos finitos como Abaqus® ou Ansys®.
3.2.2 CAMPUS (www.campusplastics.com)
Este sistema de acesso livre nasceu da idéia de que para se poder comparar
diferentes materiais, é necessário que eles sejam testados de acordo com os
mesmos parâmetros, e levou ao seu nome: Computer Aided Material Preselection by
Uniform Standards – pré-seleção de materiais auxiliada por computador por normas
uniformes.
Funciona baseado em dados fornecidos pelos fabricantes – 25 nos dias de
hoje (CAMPUS, 2006) – de acordo com normas específicas, baseadas nas normas
ISO 10350 e ISO 11403. Com mais de 300.000 sistemas instalados gratuitamente
em oito diferentes línguas, mas não em português, pode ser considerado o maior em
número de usuários.
49
Existe uma versão com mais recursos para ser instalado em rede, com um
custo de cerca de US$ 400 por ano, mas que permite não só acesso a um maior
número de dados (9.000 versus 6.000 do tradicional), mas também ferramentas de
busca e integrações com sistemas de análise de elementos finitos.
Sua usabilidade é um tanto difícil, e não é possível fazer comparações entre
diversos materiais. É muito bom como ferramenta para levantar dados sobre um
determinado tipo de material, mas acaba sendo pouco utilizável como ferramenta de
SMPF por não oferecer informações gerais ou uma filosofia de SMPF por trás do
software. Mesmo para comparações, seu alvo principal, tem sérias limitações pelas
dificuldades para se comparar produtos de diferentes fabricantes. A reprodução da
tela de trabalho inicial do sistema é reproduzida na Figura 28.
Figura 28: Reprodução da tela inicial de trabalho do serviço campus para os materiais da empresa Solvay Advanced Polymers em 11 de dezembro de 2006.
Por representar somente os fabricantes tradicionais pode estar deixando de
lado materiais específicos de alto conteúdo tecnológico e também aqueles mais
comuns que são fabricados por empresas menos tradicionais do Oriente Médio, Ásia
e América do Sul, que tem crescido substancialmente nos últimos anos.
50
3.2.3 Granta CES Optimal Polymer Selector (www.grantadesign.com)
Esse sistema se baseia nas idéias originais de Ashby (seu fundador) de
mapas de propriedades dos materiais e índices de mérito com o intuito de dar uma
aplicação prática à teoria. A idéia é fazer a seleção por etapas, fazendo uma pré-
seleção baseada em alguns fatores para somente depois ir a materiais com
propriedades específicas determinadas com o auxílio de sucessivos mapas.
Deste modo, o sistema permite que o usuário identifique onde cada uma das
alternativas analisadas é mais forte ou fraca, o que, segundo os desenvolvedores do
sistema, permite uma tomada de decisão “científica”. Para isso, parte de um banco
de dados próprio de cerca de 600 materiais genéricos e depois avança para os
bancos de dados licenciados de IDES e CAMPUS.
Segundo Coulter apud Neilley (2004), este é um sistema atrativo e poderoso
para empresas com requerimentos técnicos bem definidos, embora o projeto gráfico
torne a usabilidade ruim. Oferece buscas por propriedades comuns em folhas de
dados, mostrando todo o caminho percorrido até se achar um determinado material
e as possibilidades de buscas múltiplas são praticamente infinitas, embora possam
se tornar bastante complexas devido a uma falta de metodologia definida para as
mesmas. Uma tela de trabalho do CES é reproduzida na Figura 29.
Figura 29: Reprodução de uma tela do CES Material Selector, onde podem ser observados dois mapas de propriedades dos materiais e linhas referentes a um determinado índice de mérito.
51
3.2.4 Matweb (www.matweb.com)
O Matweb se propõe a ser um banco de dados com ferramentas de busca
de folhas de dados de materiais. Inclui termoplásticos e termorrígidos, além de
materiais metálicos e suas ligas, materiais cerâmicos, semicondutores, compósitos,
fibras e outros materiais de engenharia, perfazendo um total de mais de 59.000
folhas de dados (MATWEB, 2006), sendo 34.532 folhas de dados de termoplásticos,
sendo que a principal fonte de dados são os próprios fabricantes dos materiais.
O serviço básico é livre enquanto as ferramentas mais avançadas requerem
no mínimo um cadastro, mas podem custar até US$ 75 por ano para sua utilização.
Deve-se destacar que o serviço cadastrado é bastante compreensivo, permitindo
fazer comparações entre diversos materiais (inclusive de classes diferentes),
comparações gráficas de diversas propriedades – uma ferramenta muito mais útil e
dinâmica que a simples comparação direta de números. Já o serviço pago adiciona
ferramentas de busca e organização de dados mais poderosas, permitindo
comparações mais complexas em uma única etapa, além da exportação de dados
em diversos formatos.
Alega ter cerca de 14.000 usuários por dia e cerca de 91.000 registrados
(MATWEB, 2006). Também alega ser utilizado como ferramenta de busca por um
grande número de empresas, embora elas em geral sejam menores que aquelas
atendidas pelo IDES.
Apresenta uma programação visual bastante simples, de fácil usabilidade,
mas é muito difícil encontrar um material se o usuário não tiver um conhecimento
básico sobre o que se procura, sendo necessário um bom conhecimento sobre as
propriedades dos materiais. A tela de busca avançada deste sistema é reproduzida
na Figura 30.
52
Figura 30: Exemplo de tela de busca avançada do serviço Matweb em 13 de Fevereiro de 2007.
3.2.5 AZoM A to Z of materials (www.azom.com)
A ferramenta AZoM foi criada em 1999 por um grupo de cientistas dos
materiais australianos. Está baseado na premissa de que hoje mais de 21 milhões
de engenheiros utilizam a internet rotineiramente para desempenhar partes de seus
trabalhos, mas eles desconhecem o que os materiais ditos “avançados” (novas ligas
metálicas, matérias cerâmicos, compósitos) podem lhes ajudar em seus projetos.
Com a missão de ser a principal fonte independente de informações sobre
materiais – folhas de dados, notícias, opiniões, etc. – não cobra por seus serviços e
nem mesmo pede um cadastro. Pretende ser uma base de informações que permita
a engenheiros e projetistas tomar suas decisões SMPF de maneira fundamentada.
53
A ferramenta é mantida por organizações de pesquisa em materiais e uma
rede de colaboradores ao redor do mundo (AZoM, 2006), que produzem a maioria
do conteúdo disponível. Fabricantes de materiais e equipamentos não são fontes
oficiais. É interessante notar que uma das instituições que fornecem dados e
também fazem parte do planejamento estratégico é a Granta Design, cujo produto já
foi analisado anteriormente.
Possui muita informação na forma de artigos, de difícil busca, e ferramentas
de busca de materiais muito simples, que deixam muito a desejar quando
comparados a de outros softwares, já que se necessita saber exatamente o que se
busca para se encontrar qualquer informação, algo que inibe o poder criativo dos
engenheiros e projetistas como já discutido por Walter (2006).
Além disso, as informações ali contidas, como em qualquer outro sistema
“aberto” devem ser utilizadas com cuidado, já que não há meios de se checar sua
veracidade. Como exemplo, algumas buscas simples por materiais conhecidos
retornaram resultados bastante diferentes dos que constam nas folhas de dados dos
fabricantes. A tela de busca deste sistema é reproduzida na Figura 31.
Figura 31: Reprodução da tela de busca do serviço AZoM em 13 de Fevereiro de 2007.
54
3.2.6 Omnexus Polymer Selector 2.0 (www.omnexus.com )
Da mesma maneira que os serviços IDES e Matweb, o Omnexus pretende
ser um ponto de parada na internet para engenheiros e designers a procura de
informações sobre materiais poliméricos. Deste modo, oferece a oportunidade de
buscas por propriedades e comparações, embora nos dois casos de modos mais
limitados que os outros serviços. Como exemplo pode-se mencionar que é muito
difícil encontrar um material, a menos que se tenha muitas informações sobre ele,
algo que nem sempre é verdade para um usuário buscando materiais em um banco
de dados. Uma reprodução da tela de busca deste serviço pode ser visualizada na
Figura 32.
Figura 32: Reprodução da tela de busca do serviço Omnexus em 11 de dezembro de 2006.
55
Não são permitidas comparações entre termoplásticos e termofixos e,
apesar de inicialmente possibilitar somente buscas numéricas, agora já permite usar
uma escala qualitativa em algumas propriedades (como muito alto, alto, médio, baixo,
muito baixo, por exemplo) e também foi introduzida possibilidade de se comparar
graficamente até cinco propriedades.
Bons atributos são as referências de preço (escala comparativa), uma breve
explicação para cada propriedade que se busca e os exemplos de algumas
aplicações existentes para certos materiais.
Já alguns problemas são a pouca informação sobre cada material, limitada
e muitas vezes irrelevante, muito geral, sem citar as possibilidades de cada um e
com poucos exemplos.
O mais grave, porém, é que materiais importantes não fazem parte da lista
de materiais disponíveis para busca, como as poliamidas 6.9; 6/6.6; 6.12, além de
MDPE, mPEs, PPA´s, acrilatos, etc. Os materiais disponíveis para busca, assim
como aqueles que apresentam estudos de caso são somente aqueles de
companhias anunciantes, o que certamente tira a credibilidade do banco de dados
como fonte de comparações entre materiais e também quando, pela busca de uma
aplicação, o serviço indica somente o material do anunciante.
3.2.7 E-Funda (www.efunda.com/materials/polymers)
Este site, sobre os fundamentos da engenharia contém uma grande
quantidade de informações genéricas úteis ao projetista, como fórmulas,
conversores de unidades, informações sobre materiais, processos e guias de projeto.
Na área dedicada ao projeto com polímeros, estão disponíveis informações
sobre características básicas, comparações de propriedades com outros materiais,
uma lista dos principais materiais e suas características e informações genéricas
sobre o seu processamento.
Existe também uma área dedicada especificamente a seleção de polímeros,
onde a metodologia geral de projeto com materiais poliméricos é apresentada. Ela é
muito parecida a aquela preconizada por quase todos os fabricantes e por isso é
listada aqui em seus principais pontos.
56
• Experiência: Com que material os produtos concorrentes são fabricados?
Que materiais falharam ou tiveram sucesso em aplicações similares e
por quê?
• Requisitos: Quais os reais requisitos que o objeto produzido com o
material deve atingir?
• Análise: A análise computacional tem evoluído muito ultimamente, e é
de grande valia na busca de se aperfeiçoar uma geometria, embora ela
deva ser utilizada com cuidado, pois os polímeros possuem
características visco-elásticas que nem sempre são levadas em
consideração por estes programas;
• Processamento e efeitos de superfície: O processamento afeta as
propriedades dos plásticos e é muito difícil modelar todos os efeitos que
ele pode produzir (anisotropia, efeitos de superfície, etc.) e são
tipicamente mais pronunciados nos materiais carregados e também
naqueles semi-cristalinos;
• Prototipagem e validação e testes: Justamente pelo fato de que a
análise computacional não reflete em 100% a realidade e que o
ferramental tipicamente é bastante custoso, é prudente se adicionar uma
fase de prototipagem para validar o projeto;
3.2.8 Manufacturing Advisory Service 2.0
(http://bmi.berkeley.edu/Me221/mas2/html/applet/index.html)
Concebido a partir de uma conversa entre dois professores da Universidade
de Berkeley, na Califórnia, o MAS se tornou realidade em um projeto de mestrado
(BROWN, 1997). A idéia original era ter uma ferramenta para selecionar projetos e
peças para serem usinadas nos laboratórios daquela Universidade, que depois
evoluiu para se tornar um programa disponível na internet para ajudar engenheiros
na escolha de processos de produção. (MAS 2.0, 2006); (BROWN; WRIGHT, 1998).
57
A versão 2.0 foi desenvolvida para tornar a ferramenta mais abrangente e ao
mesmo tempo mais utilizável. Se auto-entitula como uma ferramenta para seleção
de processos e materiais para a fase conceitual de projetos, ou seja, é uma
ferramenta para se procurar um bom método de fabricação para um produto ainda
em sua fase inicial do projeto. Para isso, utiliza o método do questionário fechado,
onde o usuário responde a uma série de perguntas sobre tamanho de lote,
tolerâncias, dimensões, formas e custo, por exemplo. A cada pergunta respondida
(não há necessariamente uma ordem) o usuário é apresentado a uma lista de
possíveis processos, que são classificados por barras maiores ou menores com
cores, juntamente com a classificação anterior à última pergunta, em cinza.
Permite também a realização de estimativas de custo, e processos em
cadeia, indicando que em situações onde há tolerâncias variadas ou extremamente
precisas em uma mesma peça este pode ser o melhor caminho.
O mesmo princípio chegou a ser desenvolvido para a seleção de materiais,
embora com pouco detalhamento, uma vez que só se define classes genéricas de
materiais: ferro fundido, aço carbono, aços inoxidáveis, ligas de alumínio, ligas de
cobre, ligas de zinco, ligas de magnésio, ligas de titânio, ligas de níquel, metais
refratários, termoplásticos, termorrígidos, materiais cerâmicos, fotopolímeros e
madeiras. Pela lista, fica bastante clara a ênfase em materiais metálicos e uma
generalização bastante excludente para as outras classes de materiais, uma vez que
características como resistência mecânica, preço e densidade são tomadas pela
média da classe, o que certamente induz a erros grosseiros de avaliação.
Há links para tutoriais, e também para informações adicionais sobre cada
processo (razoavelmente detalhado) e material (muito pouco detalhado), além da
descrição minuciosa sobre o assunto de cada pergunta. A reprodução de uma tela
do tutorial pode ser visualizada na Figura 33.
58
Figura 33: Reprodução de uma tela do tutorial do serviço MAS 2.0 em 11 de dezembro de 2006.
Ele declaradamente ignora alguns processos e materiais, como por exemplo:
vidros, borrachas, metais preciosos, papeis, compósitos, processos de união como
soldagem, brazagem, feixe de elétrons, ultrasom, adesivos, união mecânica e
processos de corte como corte a laser ou a água.
O fato de ser um questionário fechado faz com que o usuário seja “guiado” a
uma resposta de maneira intuitiva e permite a um usuário experimentado customizar
os valores relativos de cada pergunta, como por exemplo, fazer com que as
características mecânicas tenham um valor relativo maior do que o custo de
maquinário.
Infelizmente esta ferramenta teve o seu desenvolvimento abandonado em
fins de 1999 e sua interface e usabilidade são bastante limitadas. Continua a ser
utilizado na Universidade de Berkeley como ferramenta de ensino e está disponível
pela internet, apesar de bastante defasado, mas com bastante potencial de
desenvolvimento.
59
3.2.9 Fabricantes de Materiais Poliméricos Termoplásticos
Os fabricantes de resinas que disponibilizam seletores de materiais em seus
sítios de internet são tipicamente os fabricantes de polímeros de engenharia ou de
uso especial, já que estes materiais são os que requerem dos projetistas uma maior
atenção devido ao seu uso técnico.
Estes fabricantes utilizam softwares de outras empresas 18 para buscas
limitadas somente aos seus materiais e as aplicações típicas destes, sem
possibilidades de comparação com produtos concorrentes. Normalmente se inclui
uma busca por aplicação, útil quando se deseja saber as diversas utilizações de um
material ou que materiais são utilizados em uma determinada aplicação com rapidez.
Por outro lado, estes seletores limitam muito a possibilidade de inovação por
parte do projetista, uma vez que relacionam sempre uma aplicação a determinado
produto. Assim, a menos que se procure por um material específico, que se esteja
fazendo um benchmarking ou que se tenham todas as especificações do projeto já
fechadas – o que remete aos pontos anteriores – estes seletores são de pouca
utilidade.
Uma possibilidade de comparação entre os dados de alguns fabricantes é o
serviço CAMPUS (Cf. descrição CAMPUS), mas este funciona muito mais como uma
ferramenta de comparação de materiais do que propriamente um seletor de
materiais.
Para o caso das empresas fabricantes de plásticos commodities,
normalmente não se encontram seletores e sim mecanismos de busca simples entre
os produtos da empresa em questão. Quase sempre se utiliza de um sistema de
questionário fechado que é bastante efetivo em se encontrar um determinado
material para determinada aplicação, mas que oferece muito pouca possibilidade de
inovação. Alguns fabricantes (principalmente os que não são líderes de mercado)
colocam em seus sítios de internet tabelas de contra-tipos, uma maneira indireta de
comparar os seus produtos com aqueles que são o padrão de mercado, ou aqueles
mais conhecidos.
18 O IDES é o maior provedor de mecanismos de busca entre as grandes empresas de polímeros de engenharia e de uso especial. Cf. descrição IDES.
60
Um outro fato a se destacar é que raramente os fabricantes colocam em
suas páginas muitas informações de seus mais novos desenvolvimentos.
3.2.10 Materiotecas
Há algum tempo começaram a surgir serviços que tentavam estabelecer
uma coleção de materiais catalogados, algo similar a uma biblioteca física de
materiais, onde se pode não só ter informações sobre eles, mas também manuseá-
los. Estas bibliotecas foram chamadas de materiotecas, e tinham seu foco inicial nos
designers de interiores e arquitetos em busca de inovações para seus projetos.
Nesta seção alguns destes serviços são avaliados.
3.2.10.1 Material ConneXion (www.materialconnexion.com)
Esta empresa, fundada em 1997 em Nova Iorque, EUA tem a proposta de
apresentar uma materioteca e um banco de dados informacional de “materiais
inovadores” para designers. Trata-se de um empreendimento muito conhecido entre
os profissionais da área de design, atualmente com filial em Milão, Bangkok e
Colônia e que abriga cerca de 3.500 tipos diferentes de materiais ditos “inovadores”
(MATERIALCONNEXION, 2006).
As principais contribuições deste exemplo estão na associação de uma
Materioteca a um banco de dados via Internet, com sistema de recuperação de
dados (buscador) e em sua estrutura física, que conta com uma estrutura
semelhante a uma biblioteca para exposição dos materiais, além de salas de
reuniões, lojas e espaço para exibições. Como pontos falhos podem-se destacar: a)
a quantidade de informações sobre os materiais disponibilizadas via Internet, que
consiste de um breve texto e um par de imagens, como pode ser visualizado na
Figura 34; b) a ineficácia da busca por palavras chave no texto citado, destacado na
Figura 35, sem possibilidade de uma busca por atributos; c) a pré-seleção por um
júri de profissionais, de “materiais inovadores”, sem dúvida uma definição muito vaga
e que pode ter várias interpretações, já que a inovação dá-se tanto pela aplicação de
um novo material quanto pelo uso de um material tradicional numa nova aplicação, e
pela possibilidade criada por um novo material de criar uma nova aplicação.
61
Figura 34: Reprodução de uma ficha de material do serviço Material ConneXion em 12 de dezembro de 2006.
Figura 35: Reprodução da tela de busca do serviço Material Connexion em 12 de dezembro de 2006.
62
3.2.10.2 Matério (www.materio.com)
Com o mesmo conceito de biblioteca física de materiais mais um banco de
dados associado, esta empresa francesa tem seu foco em artistas e designers de
interiores que buscam materiais inovadores para suas obras. Infelizmente, a pré-
definição do que é um material inovador é muito subjetiva e não é explicado como
um exemplar pode entrar para esta materioteca.
Possibilita diversos tipos de acesso (pessoal ou virtualmente, pela internet)
e a possibilidade da realização de consultorias para auxílio na busca de um produto
para determinado projeto, com diversas faixas de preços dependendo do tipo de
serviço solicitado.
Podem ser feitas buscas numéricas, mas o mais comum são as buscas
qualitativas, tanto para propriedades físicas como para propriedades sensoriais. A
reprodução de sua tela de busca e de uma ficha de material podem ser vistos nas
Figuras Figura 36 e Figura 37 respectivamente.
Figura 36: Reprodução da tela de busca de materiais do serviço Matério em 25 de fevereiro de 2007.
63
Figura 37: Reprodução de uma ficha de material do serviço Matério em 25 de Fevereiro de 2007.
3.2.10.3 Materioteca® (www.materioteca.com)
Esforço realizado pelo consórcio para a promoção da cultura do plástico
(Proplast) da Itália, tem sede na pequena cidade de Alessandria, e é a primeira
materioteca dedicada exclusivamente aos materiais poliméricos e idealizada de
maneira a valorizar tantos os aspectos técnicos dos materiais como os sensoriais.
Utiliza amostras de materiais em formas de placas com determinadas cores
e texturas, além de disponibilizar informações técnicas e de processamento dos
materiais. As amostras são produzidas pelo próprio consórcio, seguindo a orientação
dos fornecedores de matérias-primas. Por ser uma iniciativa relativamente nova
(iniciada em 2005) e que demanda muito trabalho, seu acervo ainda é bastante
limitado, mas seu projeto deve se tornar uma referência para materiotecas na área
de plástico.
64
3.2.10.4 Material Explorer
Um trabalho de graduação que se transformou em uma ferramenta de
auxílio a designers resume bem o que é o serviço Material Explorer. Arnold Van
Bezooyen começou a trabalhar em seu projeto de conclusão de curso na
Universidade de Delft sobre um problema proposto pelo professor Michael Ashby, o
de se criar uma interface amigável para que a seleção de materiais fosse mais bem
explorada por designers (VAN BEZOOYEN, 2002).
Ele partiu do princípio de que técnicas e ferramentas estão disponíveis para
a seleção de materiais baseados em requisitos técnicos e funcionais, mas que para
atender requisitos estéticos e sensoriais elas não estão disponíveis. Também
considerou o fato de que a SM não se restringe a informações sobre os materiais,
mas sim em um constante intercâmbio de considerações que devem levar em conta
os materiais, o objeto em projeto e também a tecnologia envolvida.
Finalmente, considerou que o desenvolvimento de novos materiais e
tecnologias permite uma maior liberdade para os designers, de maneira que estes
deveriam se atualizar constantemente sobre as novas possibilidades e estarem
aptos a explorar as propriedades destes novos materiais.
Neste serviço, aos materiais são atribuídas propriedades funcionais e
estéticas, e a partir disto os designers podem realizar suas buscas, com os
resultados sendo subsequentemente apresentados em seu contexto (ou aplicação)
para que os aspectos funcionais e estéticos possam ser mais bem compreendidos. A
Figura 38 reproduz uma tela de busca, enquanto que a Figura 39 reproduz uma ficha
de material deste serviço.
O sistema foi repetidamente testado por designers e engenheiros e hoje se
pode dizer que é o sistema que melhor consegue unir os aspectos técnicos e os
sensoriais dos materiais. No entanto, da mesma maneira que outros serviços, este
faz uma pré-seleção de materiais inovadores, o que por si só já é uma contradição e
não permite uma comparação entre produtos. No entanto, o projeto original de
mestrado previa vários recursos que não foram aplicados na versão atualmente
disponível.
65
Figura 38: Reprodução da tela de busca do serviço Material Explorer em 25 de Fevereiro de 2007.
Figura 39: Reprodução de uma ficha de material do serviço Material Explorer em 25 de Fevereiro de 2007.
66
3.2.11 Comparação entre os sistemas
É muito difícil uma comparação direta entre os diversos bancos de dados
disponíveis, ainda mais quando nem sempre os mesmos materiais ou dados sobre
estes estão disponíveis em todos eles. O IDES cita mais de 60.000 tipos (KMETZ,
2006), o Matweb diz ter 34.536 termoplásticos (MATWEB, 2006) enquanto que o
CAMPUS tem somente cerca de 6.000 (NEILLEY, 2004), mas indica que eles são
inteiramente comparáveis entre si, embora de maneira pouco prática.
No caso específico do CAMPUS, o fato de todos os materiais ali disponíveis
apresentarem todos os seus dados de acordo com as mesmas normas ISO,
possibilita uma comparação direta. Embora o número de grades seja limitado e bem
inferior ao de seletores concorrentes, Baur apud Neilley (2004) cita que os tipos ali
apresentados representam cerca de 90% dos termoplásticos utilizados no mundo.
Essa é uma afirmação um tanto otimista, visto que há poucos fabricantes ali
representados.
O CES Optimal Polymer Selector lista apenas 600 materiais genéricos, mas
acordos com CAMPUS e IDES permitem uma busca mais refinada conforme o
processo evolui e o fato de haver uma filosofia de Seleção de Materiais por trás do
software é um grande avanço, embora ainda esteja muito aquém das necessidades
dos projetistas de hoje em dia.
O Omnexus Polymer Selector permite comparações diversas em forma de
gráficos, mas induz o usuário a uma gama de materiais dos seus patrocinadores, o
que exclui diversas possibilidades de materiais que podem ser melhores para uma
dada aplicação, ou ainda mais baratos. O fato de disponibilizar bastante informação
sobre algumas aplicações e de propriedades gerais é um atenuante.
Percebe-se que a grande maioria dos sistemas ainda é desenvolvida por
especialistas para especialistas. Uma rara exceção talvez seja o MAS 2.0, já que
este pode ser utilizado e customizado por não especialistas, além de ser um dos
poucos desenvolvidos desde o início para seleção de processos. Dos seletores
disponíveis comercialmente, o único que trata da problemática de seleção de
processos é o CES, embora somente em um módulo separado do analisado
anteriormente.
67
O Material Connexion é uma referência para o estilo “materioteca” dos
sistemas. Este serviço pioneiro certamente mudou a maneira como os designers
desejam trabalhar com SMPF, embora do ponto de vista dos engenheiros ainda
esteja muito aquém de suas necessidades, por disponibilizar muito pouca
informação técnica dos materiais em si e seu processamento.
O Matério é bastante utilizado por designers e como tal tende a ser mais
utilizado como um explorador de informações, sem uma metodologia específica de
SMPF. Destaca-se a sua usabilidade e o foco nas propriedades sensoriais dos
materiais, algo que tipicamente não é explorado nos seletores utilizados por
engenheiros.
O serviço Materioteca® tende a se estabelecer como um modelo para este
tipo de serviço, dada a sua capacidade de reunir em um único ambiente as
necessidades do desenho industrial e do projeto técnico. Seria interessante que este
sistema pudesse se valer dos conceitos estabelecidos por Van Bezooyen (2002) e
que estão sendo utilizados no serviço Material Explorer.
Estes sistemas ainda estão aquém do potencial de público que podem
atingir, já que existe uma necessidade enorme desse tipo de informações, e não só
dados, por parte de engenheiros, projetistas, técnicos e designers, entre outros. O
conceito de materiotecas tende a se desenvolver e, se realizado com método e com
objetivos claros, pode se tornar um ponto de encontro entre as realidades do design
e da engenharia, hoje tão distantes.
A Tabela 1 apresenta um comparativo dos principais sistemas
informatizados para auxílio de seleção de materiais poliméricos utilizados na
indústria.
68
Tabela 1: Análise de similares dos serviços disponíveis de bancos de dados informatizados para auxílio de seleção de materiais poliméricos mais utilizados na indústria.
Serviço IDES Prospector
CAMPUS / Material Data
Center
CES4 Optimal Polymer Seletor
Matweb AZoM
Provedor IDES, Inc. M-Base Engineering Granta Design Ltd. Automation Creations, Inc.
AZoM™.com Pty.Ltd
URL www.ides.com www.campusplastics.com www.grantadesign.com www.matweb.com www.azom.com
Fundação 1986 1988 1994 1997 1999
Descrição Maior banco de dados de datasheets, com mais de 60.000 produtos, boa usabilidade, muitas informações complementares, base para muitos seletores de fabricantes de resinas, muito utilizado na indústria.
Completo dentro de seus limites; As informações completas estão disponíveis sem custos.
Aplicação do modelo de Ashby com suas vantagens e desvantagens; Único software de SMPF verdadeiro; Com o sistema completo, permite comparações infinitas entre as diferentes classes de materiais, mas tem um custo bastante elevado
Por ser um sistema generalista, permite comparar plásticos com outros materiais; Em plásticos, é menor e menos poderoso que o IDES, mas com os mesmos problemas;
Banco de dados independente, embora impreciso. Fontes oficiais (fabricantes) não são aceitas; informações em artigos, o que dificulta busca.
Custo Datasheets: livre. Comparações, auto specs, contratipos, e outros recursos avançados: entre US$ 500 e US$ 700 / ano
Campus: livre. MDC: US$ 350 / ano
Não divulgado. Busca de datasheets: livre; Recursos como comparações necessitam de registro; Recursos de comparações avançadas e de exportação de dados: US$ 75 / ano.
Livre
Critérios de busca 200+ possibilidades, simples ou complexas.
Ilimitado, mas depende de experiência do usuário.
Busca por propriedades ilimitada, incluindo possibilidades bastante complexas, dependente da definição de índices de mérito e podem exigir experiência do usuário.
Propriedades, tipo de resina, nome comercial, comparações até 10 materiais.
Propriedades (máx 2), aplicações, palavras chave e texto.
Vantagens Maior quantidade de produtos, bastante informação, usabilidade, atualizado constantemente.
Todos os produtos testados com os mesmos padrões; Dados confiáveis, por serem testados independentemente; Sistema pago possibilita integração com softwares de elementos finitos.
Possui uma filosofia de SMPF integrada; Acordos com IDES e Campus permite acesso a um número grande de dados.
Parte livre bastante compreensiva, permitindo comparações com outras classes de materiais; Comparações gráficas são bastante úteis.
Qualquer pessoa pode contribuir com dados; É mantido vivo por uma comunidade de cientistas, sem fins lucrativos.
Desvantagens Dados de datasheets fornecidos pelos fabricantes, e difíceis de comparar. Comparações complexas somente no sistema pago.
Poucos fabricantes e produtos disponíveis, embora sejam os mais conhecidos; Difícil usabilidade; Difícil comparar materiais de fabricantes diferentes.
Difícil usabilidade, particularmente por não engenheiros; O custo da licença, embora não informado, é bastante alto para usuários não acadêmicos, da ordem de milhares de dólares.
Necessário conhecimento sobre propriedades dos materiais; Dados de datasheets fornecidos pelos fabricantes, nem sempre completos.
Difícil usabilidade; informações imprecisas; difícil encontrar informações; deve-se ter cuidado com o uso das informações.
69
3.3 Proposta
A revisão da literatura e a análise de similares indicam a necessidade de
uma modificação na metodologia de SMPF para materiais poliméricos, para que os
processos de SMPF realmente ajudem no projeto de produtos industriais, já que as
metodologias tradicionais não se adequam a realidade desta classe de materiais. O
processo tradicional de projeto pode ser visto na Figura 40.
Figura 40: Esquema de um processo de SMPF e projeto tradicional (SAPUAN, 2001).
Para o caso específico de materiais termoplásticos, normalmente o primeiro
passo é o de se escolher o processo de fabricação. Isto ocorre por diversos motivos,
sendo os principais a disponibilidade de maquinário, a forma geral do objeto e o
número total de peças a serem produzido em um determinado período de tempo.
Os termoplásticos oferecem inúmeras possibilidades de desenho, e toda
esta liberdade acaba por definir rapidamente o processo a ser utilizado, mesmo que
o projeto ainda esteja em seu início.
NECESSIDADE DO MERCADO
CONCEITO
DETALHE
PRODUTO
DESIGN REPRESENTATIVO
SELEÇÃO DE MATERIAIS
TODOS OS MATERIAIS
(BAIXA PRECISÃO)
AGRUPAMENTO DE MATERIAIS
(MAIOR PRECISÃO)
UM MATERIAL
(MELHOR PRECISÃO POSSÍVEL)
70
O processo de fabricação pode ser escolhido rapidamente pelo método do
questionário fechado. Em seguida, faz-se uma pré-seleção dos materiais juntamente
com o processo inicial de se projetar o produto, utilizando-se para isso informações
básicas sobre o processo escolhido e suas capabilidades, além de informações
básicas sobre os materiais advindos de uma materioteca ou de métodos de
questionário aberto. Em um passo seguinte, faz-se o detalhamento do projeto
concomitantemente com o refinamento da seleção do material mais adequado, por
meio de sucessivas análises.
Para produtos onde é feita uma conversão de materiais (por exemplo, de
metal para plástico), este processo é ligeiramente modificado para incluir uma etapa
de análise anterior à seleção de processo, de modo a se redefinir o problema a ser
estudado e os novos requisitos para o projeto. Um diagrama esquemático do
processo proposto pode ser visto na Figura 41.
Figura 41: Digrama esquemático para projeto de peças plásticas.
definição do problema e novos requisitos
Análise
questionário fechado Seleção de processos
Pré SM polímeros +
Projeto Conceitual
Mercado
Validação
Detalhamento do projeto
SM Análise
questionário aberto +
materiotecas
banco de dados +
fabricante MP
71
A análise de similares aponta para um sistema de biblioteca física de
materiais ao estilo a Materioteca® , ligado a um banco de dados com uma poderosa
ferramenta de busca (como por exemplo, o IDES), tendo os recursos de um
programa como o CES e baseado em uma filosofia de seleção de materiais e
processo de fabricação estabelecida de acordo com o modelo proposto. Um sistema
como esse que estivesse disponível livremente pode vir a ser de grande utilidade
para projetistas em geral, sejam eles engenheiros ou não, assim como poderia levar
a um aumento na utilização de termoplásticos e o avanço da indústria nacional.
72
3.4 Sugestões
Este trabalho aponta a necessidade de que os projetistas (engenheiros ou
não) adquiram um maior conhecimento sobre os materiais termoplásticos, suas
propriedades e como elas são afetadas pelo ambiente a sua volta. Para isso, ainda
faltam textos de apoio voltados a este público, assim como um maior
desenvolvimento de metodologias de ensino de SMPF (hoje quase toda baseada
nos preceitos de Ashby) tanto para engenheiros como, principalmente, para
designers.
Uma maior integração entre as áreas de Engenharia de Materiais e Desenho
Industrial, a exemplo do que já ocorre em outros países, certamente colaboraria
bastante para que a necessidade apontada seja atendida mais rapidamente.
A análise de similares permite ainda apontar para um sistema híbrido de
SMPF para projeto de produto como as Materiotecas, como sendo aquele que mais
se aproxima das necessidades dos projetistas de peças plásticas. Embora as
metodologias para implantação e uso destas ainda estejam em desenvolvimento, e
maiores investigações sejam necessárias para se determinar o exato conceito a ser
utilizado nas áreas destinadas aos materiais poliméricos, elas devem ser melhor
desenvolvidas e popularizadas.
Finalmente, é necessário que as metodologias atuais de SMPF sejam
adaptadas para que se aproximem da realidade industrial e que possam, ao mesmo
tempo, levar um maior desenvolvimento tecnológico a estas indústrias. Neste sentido,
sugerem-se investigações similares à deste trabalho para outras classes de
materiais.
73
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80
APÊNDICE A – Propriedades dos materiais poliméricos termoplásticos
Uma breve discussão sobre as propriedades dos materiais poliméricos
termoplásticos apresentados em folhas técnica de dados.
Densidade ou Massa Específica
Este é um dos poucos casos em que um único número pode descrever
adequadamente uma propriedade, sendo a razão entre massa por unidade de
volume, medida a 23°C, e comumente expressa em g/cm3. Embora ela certamente
varie com a temperatura, o efeito desta não é importante até que o material já esteja
amolecido ou fundido. Um material menos denso leva a peças mais leves, o que
pode ser importante em certas indústrias como a automotiva ou aeroespacial, onde a
economia de peso se traduz diretamente em economia de combustível.
Mais importante que isso, porém, é que um quilo de um material menos denso
produz mais peças que um quilo de um material mais denso. Este é um fator muito
importante para ser levado em consideração, uma vez que em geral as matérias-
primas são compradas por peso e vendidas por unidade (peças, por exemplo).
Assim, é importante analisar o custo por volume de um material e não o custo por
quilo, algo que nem sempre é levado em consideração.
A densidade reflete a estrutura química e a organização molecular de um
material polimérico e regiões cristalinas de um material são mais densas que as
amorfas. A maioria dos plásticos comerciais apresenta densidades entre 0,9 e 1,4
g/cm3, e alguns, devidos a presença de halogênios, apresentam densidades por
volta de 2,3 g/cm3. Materiais com densidades menores que 0,9 são normalmente
celulares, com significativo volume de poros. O uso de aditivos nos plásticos
comerciais também faz com que a densidade apresentada nas folhas técnicas de
dados seja uma característica de cada tipo (grade) de material
No caso de esta propriedade ser utilizada como parâmetro de controle de
qualidade, vale lembrar que a densidade de um material polimérico varia em função
de sua cristalinidade (empacotamento dos átomos) e também pode variar com a
perda de aditivos (plastificantes, por exemplo) ou absorção de solventes.
Para sua determinação são comumente utilizados os métodos ASTM D 792
ou ASTM D 1895 ou ainda ISO 1183.
81
Índice de Fluidez (MFI ou Melt Flow Index)
O número que consta das folhas de dados é determinado por um teste
específico (ASTM ou ISO, ver adiante) que expressa a fluidez do material sob
determinadas condições. Normalmente é expressa em g/10 min, refletindo o quanto
de material escoa por uma determinada passagem sob a ação de uma força no
tempo de 10 minutos. Por utilizar uma força constante, é um teste que ocorre a uma
força de cisalhamento constante e não a uma taxa de cisalhamento constante.
Assim, tem pouca semelhança com os processos usuais de moldagem de plásticos,
e é bastante sensível a pequenas variações de massa molar.
Justamente por isso, muitos fabricantes utilizam o MFI como uma
especificação para diferenciar tipos de um mesmo material, valendo-se de uma
correlação com a massa molar média e para monitorar a uniformidade do material
lote a lote ou até dentro de um mesmo lote. Tipos com maior massa molar média
apresentam menor MFI. Quanto mais alta a massa molar média (para um mesmo
material), tipicamente melhores as propriedades e maior a resistência ao fluxo.
Materiais commodities como, por exemplo, PE, PP e PS se baseiam
fortemente neste fator. Alguns materiais de engenharia como PC também. Nestes
casos, tipos com menores MFI são considerados de melhores propriedades
enquanto que materiais com maior MFI têm suas propriedades reduzidas em favor
de um melhor processamento, especialmente para artigos com paredes menos
espessas.
O significado do teste de MFI é historicamente mal interpretado por um
grande segmento da indústria. Muitos processadores colocam uma ênfase
desproporcional nos resultados de MFI por acreditarem que ele reflete corretamente
as diferenças em processabilidade. É certamente correto afirmar que para um dado
conjunto de parâmetros de processo um PP com um MFI de 20 g/10 min vai fluir
mais e preencher uma cavidade de geometria determinada com pressões menores
que um PP com MFI de 4 g/10min.
82
Mas a diferença de fluxo não é de cinco vezes como os números podem
sugerir – a pressão não vai cair cinco vezes, ou o material não vai fluir cinco vezes
mais. Isso pode ser explicado pelo fato de que o teste de MFI é conduzido a taxas
de cisalhamento muito baixas quando comparados a realidade dos processos de
fabricação típicos. A taxas de cisalhamento maiores, a viscosidade medida é não só
sensivelmente menor, mas também diminui cada vez mais rápido, em um fenômeno
conhecido como shear thinning, e tem maior efeito quanto maior a massa molar de
uma polímero. A taxas de cisalhamento típicas de processos de injeção, a diferença
de viscosidade entre os dois tipos citados anteriormente é de somente 40%, e não
400% como se poderia imaginar pelos números de MFI.
Vale lembrar ainda que mesmo que tipos dentro de uma mesma família
apresentem comportamentos similares, o comportamento da viscosidade entre
diferentes famílias pode ser bastante diferente, já que o cisalhamento afeta de
maneira diferente as diferentes estruturas moleculares. Assim não se deve esperar
que um PP e um PS tenham o mesmo comportamento no processo só porque eles
têm o mesmo MFI, por exemplo. Além disso, as diferenças de densidade do fundido
fazem com que um mesmo volume de PS tenha massa cerca de 15% maior, o que
leva a que mesmo que os dois materiais apresentem o mesmo comportamento
reológico, e mesmo MFI, o PP terá menor viscosidade, já que é preciso uma maior
quantidade de PP para produzir o mesmo número de MFI de um PS.
Um último item que merece atenção quando se compara a fluidez de
materiais diferentes são as condições de teste. Muitas vezes mesmo para uma
mesma família de materiais, há diversas condições que podem ser utilizadas, e isto
pode variar de acordo com o fabricante. Um mesmo ABS pode ser testado de acordo
com a ASTM nas condições G, V, AL, ou I, por exemplo, o que correspondem as
condições seguintes: 200°C /5 kg, 210°C /2,16 kg, 220°C /10 kg ou 230°C /3,8 kg.
Os métodos mais comuns para este tipo ensaio são o ASTM 1238 (Melt Flow
Index), com resultados em g/10 min e ISO 1133 (Melt Volume-Flow Rate), com
resultados em cm3/10 min.
83
Módulo de Flexão
Por definição, o módulo é a razão entre tensão e deformação produzida por
esta em um material. Nos estágios iniciais de uma curva tensão versus deformação,
esta relação é linear e o módulo é representado pela inclinação desta reta. Para
materiais homogêneos, os valores em flexão, compressão ou tensão são muito
parecidos (SOLVAY ADVANCED POLYMERS, 2003).
Para materiais poliméricos termoplásticos, o módulo em flexão varia
inversamente com a variação de temperatura e, mesmo que cada material apresente
a sua própria curva de módulo versus temperatura, normalmente o formato da curva
depende se polímero base de um produto é amorfo ou semi-cristalino (NIELSEN,
1993). Um exemplo das curvas de Módulo versus Temperatura pode ser visto na
Figura 42.
Figura 42: Módulo de Young versus Temperatura para polímeros amorfos e semicristalinos. Fonte: Solvay Advanced Polymers, LLC.
No caso de polímeros amorfos, eles são caracterizados por apresentarem um
módulo relativamente constante por uma ampla faixa de temperaturas, até que esta
atinja um ponto em que o material comece a amolecer e os valores de módulo caem
drasticamente em uma faixa estreita de temperaturas.
Após este amolecimento, um material amorfo perde cerca de 99% de sua
rigidez original e não tem mais utilização prática. A estreita faixa de temperatura
onde há queda acentuada de módulo é conhecida como temperatura de transição
vítrea.
Temperatura
Mód
ulo
Elá
stic
o
Amorfo Semi-Cristalino
Tg
Tm
84
Para polímeros amorfos carregados (com fibra de vidro, por exemplo), o
comportamento geral é basicamente o mesmo, mas com algumas pequenas
diferenças. A primeira delas é que o módulo é sensivelmente maior. Enquanto que
um PC sem carga tem um módulo de 2,2 – 2,4 GPa, o mesmo PC com 20% de fibra
de vidro (PC+20 %FV) tem 5,5 GPa e com 40% (PC+40%FV) este valor é de 9,7
GPa. A segunda é que a queda em módulo anterior a Tg é sensivelmente menor, ou
seja, a presença de FV não muda a Tg, mas faz com que ele permaneça mais rígido
por mais tempo. (Ver descrição sobre HDT/DTUL).
No caso de polímeros semi-cristalinos, estes consistem de pequenos
domínios cristalinos distribuídos em uma matriz de material amorfo. As regiões
amorfas continuam a apresentar a Tg, mas como as regiões cristalinas ainda estão
rígidas, a Tg não amolece completamente o polímero.
Desta maneira, há uma perda substancial de módulo, mas um novo platô
intermediário é criado e mantido até que seja atingida a temperatura de fusão
cristalina Tm, quando toda a rigidez do material se perde. Assim a principal diferença
no formato da curva é que enquanto os materiais amorfos perdem toda a sua rigidez
de uma só vez (próximo a Tg) os semi-cristalinos a perdem em duas etapas (próximo
a Tg e Tm).
Um bom exemplo de material semi-cristalino é a Poliftalamida, ou PPA. Um
polímero base comum é o Amodel A-1000, que tem módulo de flexão a 23°C de 1,7
GPa. Este valor cai muito pouco até que a Tg deste material (123°C) seja atingida.
Entre 120 e 160°C este material perde cerca de 85%19 do valor de seu módulo a
23°C e um novo platô de valor de módulo é estabelecido a 0,21 GPa. Do final da
região de transição vítrea até a Tm, este valor cai linearmente até aproximadamente
0,075 GPa, quando então a fusão ocorre a cerca de 313°C.
Como praticamente todos os materiais semi-cristalinos não carregados
seguem este mesmo padrão, uma vez conhecido o módulo a temperatura ambiente
(23°C), e suas temperaturas de transição vítrea e de fusão cristalina pode-se ter
uma boa idéia da curva em si.
19 Há menor perda de módulo quanto maior a cristalinidade total de um polímero. Por isso é tão importante que materiais semi-cristalinos sejam corretamente processados e cristalizados, já que suas propriedades a altas temperaturas serão significativamente afetadas.
85
Ao se adicionar uma carga ou reforço, o modelo da curva permanece o
mesmo. Como no caso de materiais amorfos, a presença de reforços não altera Tg
ou Tm, mas deixa o material mais rígido tanto abaixo quanto acima da Tg. Ainda no
exemplo do PPA, o Amodel A-1133HS com 33% de FV, tem um módulo a 23°C de
13,4 GPa (1940 Kpsi), que se mantém praticamente constante até os 123°C (Tg). Ele
novamente apresenta uma região de transição entre 120 e 160°C com uma queda
acentuada do módulo e um novo platô com queda gradual até a temperatura de
fusão cristalina.
A grande diferença está no fato de que ao final da transição vítrea o material
perdeu apenas 60% do valor do seu módulo a 23°C, ao invés dos 85% do material
sem reforço. Este comportamento pode ser esperado de todos os materiais semi-
cristalinos reforçados com Tg acima da temperatura ambiente.
Comercialmente, existem muito mais tipos (grades) reforçados de materiais
semi-cristalinos do que amorfos. Isto se deve ao fato de que independentemente da
quantidade e do tipo de reforço, o material amorfo perde suas propriedades de
carregamento quando acima da Tg. Abaixo desta temperatura o reforço não é
significativo quando comparado com aquele alcançado nos semi-cristalinos.
Já no caso de materiais semi-cristalinos, as vantagens podem ser sentidas
tanto abaixo quanto principalmente acima da Tg, mantendo estes materiais com
propriedades utilizáveis a temperaturas relativamente altas como é o caso por
exemplo do PPA + 33%FV (AMODEL A-1133HS), que tem Tg de 123°C mas ainda é
utilizável a temperaturas de até 285°C (dependente do desenho da peça), graças ao
reforço.
Para materiais semi-cristalinos com Tg menor que a temperatura ambiente
(23°C), como por exemplo PP, PE e POM, o mesmo princípio também é válido, mas
deve-se levar em conta o fato de que a esta temperatura o polímero já está no platô
pós-Tg, o que faz com que só haja um longo declínio no valor de módulo até a
temperatura de fusão cristalina. No entanto, quando se analisa um gráfico, incluindo
aí as temperaturas abaixo de Tg, tem-se o mesmo tipo de gráfico já apresentado.
86
Deste modo, pode-se deduzir uma grande quantidade de informações a partir
de alguns poucos dados como, por exemplo, o módulo (sempre presente nas fichas
técnicas) e das temperaturas de transição Tg e Tm. Infelizmente, nem sempre estes
valores estão disponíveis nas fichas técnicas, mas existe um outro dado sempre
presente e que pode ser muito útil para um melhor conhecimento do comportamento
de um polímero a altas temperaturas, a temperatura de deflexão térmica (HDT ou
DTUL).
Os métodos ASTM D638 e ISO 527 são os mais utilizados para determinação
do módulo elástico.
Temperatura de deflexão térmica (HDT OU DTUL)
Para melhor entender a relação entre este teste e as temperaturas de
transição vítrea e fusão é importante entender o que realmente este teste avalia. A
medição é realizada como em um teste de deformação em três pontos, com uma
carga sendo aplicada no centro do corpo-de-prova de modo a gerar uma tensão
constante enquanto a temperatura é elevada. Quando uma deformação específica é
atingida, a temperatura máxima é anotada. Assim, o HDT representa a temperatura
a que uma carga determinada produz uma deformação determinada em flexão ou
ainda a temperatura a que o material atinge determinado módulo de flexão.
Especificamente, as duas condições padrão para teste são com tensões de
66 e 264 psi, o se reflete em um módulo de flexão associado a cada uma das
condições de 29 e 116 Kpsi respectivamente.
Como é sabido (Cf. seção anterior sobre Módulo Elástico) que para um
material amorfo os valores de módulo diminuem muito pouco entre a temperatura
ambiente (23°C) e sua transição vítrea, e que acima desta, estes materiais perdem
mais de 99% do valor de módulo a temperatura ambiente (23°C), pode-se inferir que
o valor de Tg de um polímero amorfo é alguns poucos graus (6 – 15°C) acima da
temperatura de deflexão térmica, sendo que para polímeros amorfos carregados
esta diferença é ainda menor. O efeito da adição de 30% de fibra de vidro em alguns
termoplásticos amorfos é apresentado na Tabela 2.
87
Tabela 2: Efeito da adição de 30% de fibra de vidro na temperatura de deflexão térmica em alguns termoplásticos amorfos.
Material HDT sem fibra (°C) HDT com 30% FV (°C) Tg (°C)
PC 129 132 135
PSU 174 181 185
PPSU 207 214 220
Como é de se esperar, o caso dos materiais semi-cristalinos é um pouco
diferente e a presença de cargas afeta fortemente as análises. Para os semi-
cristalinos sem carga que apresentam Tg acima da temperatura ambiente (23°C),
uma pesquisa atenta revela que o módulo de flexão a temperatura ambiente (23°C)
para praticamente todos estes materiais fica entre 2 e 3 GPa.
De acordo com a generalização, após Tg esses valores devem cair cerca de
80% e estar entre 0,4 e 0,6 GPa, ou seja, estarão abaixo do módulo associado ao
HDT a 264 psi e a Tg deveria estar a uma temperatura muito próxima a este HDT
para materiais semi-cristalinos sem reforço.
Um bom exemplo disso é o PBT (Celanex 1300A) onde a Tg é de 60°C e o
HDT a 264 psi é 54,4°C (IDES, 2006a). No caso de uma Poliftalamida sem reforço
(Amodel A-1001L), a Tg deste material é de 127°C e seu HDT a 264 psi é 120°C
(IDES, 2006a). Esta proximidade de valores se deve a proximidade entre a curva
contínua de módulo de flexão versus temperatura - obtida por um ensaio de DMA20 –
e os pontos obtidos nos ensaios de HDT.
A temperatura de fusão cristalina também pode ser estimada pela análise do
comportamento dos materiais carregados. Neste caso, Tm pode ser estimada como
sendo alguns poucos graus acima da HDT a 66 psi. Se este valor não estiver
disponível, pode-se também utilizar o valor a 264 psi, embora este esteja um pouco
mais longe da Tm. Novamente, quanto maior o reforço, menor a diferença entre as
temperaturas de HDT a 66 e 264 psi e entre essas e a Tm.
20 Dynamic Mechanical Analysis – Análise Dinâmico-Mecânica, um tipo de análise térmica muito utilizada no estudo de materiais poliméricos.
88
Deste modo, demonstra-se como um pouco de conhecimento de estrutura e
propriedades dos polímeros e uma análise cuidadosa dos dados de módulo de
flexão e HDT, podem dar uma boa idéia de como um material pode reagir a uma
larga faixa de temperaturas para as quais quase não se tem informação direta. Ainda
assim, alguns materiais, particularmente as blendas poliméricas, aparentemente
violam estas generalizações já que o comportamento destes é muito mais complexo
e muitos fabricantes não explicam exatamente a composição de suas blendas.
Esta propriedade é normalmente determinada seguindo as normas ASTD D
648 ou ISO 75.
Tensão e deformação
Como discutido anteriormente, a curva tensão versus deformação é uma das
ferramentas mais importantes com relação as propriedades mecânicas dos materiais
poliméricos. O trecho inicial é em geral caracterizado por uma linha reta e é
conhecida como região elástica, onde qualquer esforço é acompanhado por uma
deformação proporcional e reversível. Gradualmente esta relação deixa de ser linear
quando entram em ação os mecanismos de deformação plástica. Assim, menores
esforços são necessários para uma mesma deformação.
A partir desse ponto os materiais podem reagir de duas maneiras distintas.
Eles podem romper abruptamente (comportamento frágil) a uma tensão chamada
tensão de ruptura, como por exemplo, no caso dos plásticos com altos teores de
fibra de vidro. Eles também podem continuar se deformando até o ponto onde
nenhum esforço adicional é necessário para continuar a deformação, conhecido
como tensão de escoamento. Vale notar que o material pode continuar se
deformando bastante antes que uma ruptura venha a ocorrer e esta deformação
pode ser entendida como uma medida relativa da ductilidade ou resistência ao
impacto deste material.
A tensão que consta das folhas de dados pode ser tanto a de escoamento
quanto a de quebra. Materiais dúcteis também apresentam tensão e elongação de
ruptura, mas tipicamente este valor não é informado, embora seja importante
lembrar disso quando se compara materiais distintos.
89
Estes valores limites (tensão de escoamento ou de ruptura) variam com a
temperatura e, com isso, um termoplástico que a 23°C apresenta um
comportamento frágil vai se tornar mais dúctil com o aumento de temperatura e, ao
mesmo tempo em que há uma diminuição na tensão de ruptura (ou de escoamento),
a deformação para atingir este ponto é cada vez maior.
O comportamento da tensão de ruptura (ou de escoamento) com a
temperatura é menos previsível que o módulo (NIELSEN, 1993). Este
comportamento é praticamente linear, independente se o polímero é amorfo ou
semicristalino, reforçado ou não, mas é muito difícil predizer a inclinação desta reta
simplesmente com base na estrutura do polímero. Neste caso, alguns fabricantes
fornecem as curvas deste comportamento para seus materiais, embora esta não
seja uma regra geral.
Na Figura 43 pode ser observado o comportamento da resistência à tração de
um polímero carregado (PPA com 45% de fibra de vidro), com a diminuição da
resistência a tração e o correspondente aumento da elongação com o aumento da
temperatura.
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Elongação (%)
Res
istê
ncia
a T
raçã
o (M
Pa)
-40˚C23˚C100˚C120˚C150˚C200˚C
Figura 43 Comportamento da tensão e deformação de um termoplástico carregado (Amodel AS-1145 HS da Solvay Advanced Polymers, LLC). Fonte de dados: CAMPUS 2006.
Da mesma forma que para os valores de módulo, é normalmente determinada
seguindo as normas ASTD D638 ou ISO 527.
Aumento da Temperatura
90
Elongação
Como citado anteriormente, o alongamento é um bom indicativo da
ductilidade de um polímero e altos níveis de alongamento indicam boa capacidade
de absorver energia.
Uma modificação na composição que aumente a ductilidade leva ao aumento
nos valores de alongamento na ruptura, assim como um aumento na rigidez leva a
uma diminuição neste alongamento. Um bom exemplo é o PA 6, onde um tipo de
uso geral apresenta ruptura entre 25 e 50% de alongamento, enquanto que um tipo
modificado ao impacto apresenta ruptura entre 200 e 250% e um reforçado com fibra
de vidro entre 1 e 3,5% dependentemente dos níveis de modificação.
O alongamento aumenta com o aumento da temperatura (NIELSEN, 1993), e
isto ocorre mais rapidamente se este aumento de temperatura passar pela transição
vítrea de um polímero, o que pode ocorrer para os polímeros semicristalinos. Para
polímeros amorfos, pode-se esperar um aumento gradual no alongamento com a
elevação da temperatura, em uma razão inversamente proporcional a queda nos
valores de módulo em flexão.
É geralmente determinada seguindo as normas ASTD D 638 e ISO 527.
Impacto IZOD com entalhe
O teste de impacto IZOD foi adotado pela indústria de plásticos tal qual como
utilizado pela indústria de metais em uma época em que pouco se conhecia sobre o
comportamento em impacto dos materiais poliméricos. O conhecimento atual sobre
este tema provavelmente levaria a outra solução, mas o fato é que este teste se
tornou bastante comum e enraizado na indústria do plástico. Ainda assim, pode-se
utilizar melhor os dados deste teste quando se entende melhor o que ele realmente
mede.
Os corpos de prova utilizados neste teste apresentam um entalhe proposital
com um raio de 0,01 polegadas (0,25 mm). Praticamente todos os materiais
poliméricos são sensíveis ao entalhe, mas para alguns materiais como o PC o raio
crítico é menor que este valor e, portanto, este material apresenta resultados
bastante expressivos neste ensaio.
91
Para o PA 6, por exemplo, o raio crítico está acima daquele do corpo-de-
prova e os resultados relativos a este material neste teste são relativamente baixos.
Assim, o teste não é realmente um teste de impacto representativo, já que não
compara todos os polímeros acima ou abaixo do seu raio crítico.
Embora nos manuais de design em plástico21 a utilização de raios mínimos
em todos os “cantos” seja recomendada, muitas vezes a construção do molde ou o
uso do produto (quando sujeito a impactos, por exemplo) pode levar ao
aparecimento de entalhes ou cantos vivos e a susceptibilidade ao entalhe pode ser
um fator decisivo entre a falha ou o sucesso de uma peça.
Como outras propriedades, a resistência ao impacto também é afetada pela
temperatura e, neste caso é diretamente proporcional a esta. Um fenômeno bastante
conhecido nos metais, também se faz presente. É a transição frágil-dúctil, que ocorre
normalmente em uma faixa estreita de temperaturas e está associada a
posicionamento da Tg em relação à temperatura do teste.
Deve-se atentar a este fato, uma vez que materiais que se saem muito bem
nos testes IZOD a 23°C podem apresentar valores muito menores se a temperatura
estiver apenas um pouco mais baixa. Este é o caso do PC sem reforço, por exemplo,
que apresenta uma queda de mais de 90% nos valores desta propriedade em uma
faixa estreita (até 8˚C) que é dependente da massa molar do polímero.
No caso de materiais semicristalinos reforçados, principalmente quando o
polímero base é frágil, existem algumas diferenças que devem ser analisadas mais
atentamente. Em alguns casos a resistência ao impacto cai linearmente com a
temperatura até certo ponto, quando então ela volta a subir. E aí aparece uma
limitação dos testes de impacto tradicionais.
Estes testes medem a energia total para a fratura, que é uma combinação da
energia para iniciá-la e da energia para propagar a trinca até a ruptura total do
corpo-de-prova. A primeira é bastante dependente da rigidez do material, enquanto
que a segunda é uma medida da ductilidade do mesmo.
Assim, um material bastante rígido pode apresentar altos valores neste teste,
mesmo sendo muito pouco dúctil, ou seja, um material frágil. Isto é ainda mais
influenciado pelo formato do corpo-de-prova e da localização do entalhe, que
maximiza a orientação dos reforços perpendicularmente ao entalhe.
21 Por exemplo, Solvay Advanced Polymers (2003), BASF (2004), GE Plastics (2006), Ogorkiewicz, (1974), entre outros.
92
Logo, materiais semicristalinos reforçados com fibra de vidro, por exemplo,
apresentam valores que são artificialmente superiores ao que se poderia esperar e
não se deve considerar os testes de impacto como uma medida pura de ductilidade.
Este efeito é ainda mais exagerado com o uso de fibras longas, versus a tradicional
fibra curta.
No caso de materiais amorfos, a adição de reforços reduz sua ductilidade, e
isso pode ser exemplificado pelo PC que quando reforçado com FV tem seus valores
de impacto IZOD reduzidos em cerca de 80%.
O ensaio de impacto IZOD é tipicamente realizado seguindo as normas ASTD
D256 e D4812 ou ISO 180.
Flamabilidade UL
Os testes do Undewriter’s Laboratories (www.UL.com) são bastante
específicos na maneira em que são conduzidos e como os diversos níveis de
flamabilidade com que são graduados os polímeros. Todos os polímeros queimam
se a temperatura for suficientemente alta e o que os testes procuram determinar é o
quanto o material é (ou não) auto-extinguível.
Dois pontos importantes que devem ser considerados: a) os resultados destes
testes são muito dependentes da espessura do corpo-de-prova e b) alguns materiais
só se tornam auto-extinguíveis com o uso de aditivos, enquanto outros são
naturalmente auto-extinguíveis.
Para o primeiro caso, vale lembrar que alguns materiais são auto-extinguíveis
somente acima de uma determinada espessura (2 mm por exemplo), enquanto
outros apresentam esta mesma característica para espessuras inferiores a 1 mm e,
portanto, espessura mínima é um ponto importante a se observar se o projeto
necessitar de características auto-extinguíveis.
O segundo caso é importante porque a presença dos aditivos que promovem
a característica de auto-extinção normalmente compromete outras propriedades do
polímero base, além de aumentarem muito a sua densidade e normalmente não
poderem ser utilizados quando o produto final produzido terá contato com alimentos
ou água potável.
93
Assim, sempre que possível, um produto naturalmente auto-extinguível (pela
sua estrutura química) é preferível a outro que tenha propriedades que atendam aos
requisitos mas necessite de aditivos para atingir a característica de auto-extinção
necessária.
Os métodos mais comuns de avaliação da inflamabilidade medem o tempo
para que uma chama percorra um corpo-de-prova, sob determinadas condições,
sendo os mais comuns os propostos pelo Undewriter’s Laboratories , como o UL 94.
Coeficiente Linear de Expansão Térmica (CLTE)
A maioria dos materiais, incluindo os polímeros, expande com o aumento da
temperatura. Esta expansão é avaliada pelo coeficiente linear de expansão térmica,
que mede a mudança de uma dimensão (comprimento) relativa á dimensão inicial e
a mudança de temperatura e é representada pela inclinação da reta resultante. O
mais comum é que este teste seja conduzido entre -30°C e + 30°C, porque nesta
faixa de temperaturas os valores de CLTE para a maioria dos polímeros são
relativamente constantes.
Para polímeros amorfos, o CLTE é praticamente constante até temperaturas
próximas a Tg, e para materiais semi-cristalinos com Tg acima de 30°C esta regra
também é válida. Para estes materiais, no entanto, acima da Tg o CLTE aumenta
abruptamente por um fator de 3,5, o que deve ser levado em consideração no
projeto de peças quando esses materiais serão utilizados acima de sua Tg.
Para materiais semi-cristalinos com Tg abaixo de 30°C, pode ser observado
um aumento gradual do CLTE com o aumento da temperatura. No caso de materiais
reforçados, vários fatores podem influenciar neste comportamento, como o tipo de
reforço, sua quantidade e sua orientação, por exemplo.
Em geral, os materiais poliméricos apresentam valores de CLTE muito
maiores do que o de metais, o que faz com que a utilização conjunta destes
materiais em um componente deva ser estudada com cuidado, para que o aumento
da temperatura não crie tensões superiores àquelas que os plásticos podem resistir.
94
Nestes casos, torna-se muito importante que os valores de CLTE dos dois
materiais sejam os mais próximos possíveis na faixa de temperaturas a que a peça
estará exposta. Para casos muito específicos, são necessários CLTE idênticos e um
bom exemplo de polímero que pode apresentar valores de CLTE comparativos a
metais é a Poliamida Imida (PAI) comercialmente mais conhecida como Torlon®.
Esta propriedade é geralmente determinada seguindo as normas ASTD D696
(na Europa) ou E831 (nos Estados Unidos) ou ainda ISO 11359-2 e reportada em
°C-1.
Conclusão
Discutiram-se alguns dos testes mais comumente encontrados nas folhas
técnicas de dados dos materiais poliméricos. Existem muitos outros, específicos de
algumas aplicações, e por isto não se prestam a generalizações, uma vez que dados
não estão disponíveis se não para um número muito pequeno de produtos.
Além disso, é importante lembrar que os ensaios são conduzidos em corpos
de prova especialmente desenhados para estes ensaios, e por isso permitem uma
boa reprodutibilidade e representam geralmente as melhores propriedades
possíveis. Isso pode servir ao intuito de se comparar diversos materiais, mas indica
muito pouco sobre as propriedades do produto acabado, uma vez que o design de
uma peça tem grande influência nas propriedades e as empresas que utilizam estes
materiais no seu processo de produção produzem produtos, e não corpos de prova.
Embora esta tenha sido apenas uma breve discussão sobre propriedades que
constam das folhas de dados dos diversos polímeros, entende-se que estas
generalizações são uma contribuição importante para o entendimento do
comportamento destes materiais. Neste sentido, nenhum teste padrão é perfeito,
mas é importante entender o significado do que está sendo avaliado para poder
fazer um melhor uso das propriedades dos polímeros quando da escolha de um
material para um determinado projeto.
95
APÊNDICE B – Métodos de Ensaio
Uma breve discussão sobre o significado dos resultados dos testes
apresentados em folhas técnicas de dados
Quando se analisa uma folha técnica de dados (datasheet), destacam-se os
resultados dos ensaios e as normas utilizadas para gerar estes resultados, sendo as
mais comuns as da ASTM, ISO e UL e em alguns casos específicos ABNT, IEC,
DIN, BS, ou JIS. Este texto ajuda a “navegar” por eles.
Primeiramente deve-se lembrar que cada um dos resultados expressos em
uma folha técnica de dados é o resultado de uma média de vários ensaios (cujo
número depende da norma específica) e normalmente as letras pequenas ao final da
folha de dados indicam que estes são “valores típicos, que não devem ser utilizados
como especificação“. Assim, quando se lê um valor de 100 MPa, deve-se interpretá-
lo como sendo “ao redor de 100 MPa” e um corpo-de-prova escolhido aleatoriamente
pode apresentar valores um pouco mais altos ou um pouco mais baixos que aquele
apresentado.
Outro ponto interessante a ser levado em consideração é que realizar os
testes para uma folha de dados completa tem um custo bastante elevado. Michael
Sepe (IDES, 2003) estima que este custo seja de aproximadamente US$ 15.000
para um único grade de material e isto não passa despercebido pelos fabricantes.
Multiplicando este valor pelo número de grades disponíveis de cada fabricante,
torna-se notório que é muito difícil que todos os materiais sejam testados para todas
as propriedades, mas somente aquelas mais comuns e também aquelas que estão
diretamente ligadas ao uso pretendido para o material.
É por isso que normalmente se encontra os valores de acordo com um único
padrão (normalmente ASTM ou ISO) ou ainda com resultados em duas unidades
(Kpsi e MPa por exemplo) apesar de o material ter sido testado de acordo com um
único padrão.
96
Isso fica claro ao se comparar as folhas de dados de dois fabricantes
diferentes de PA 6.6 carregado com 30% de fibra de vidro como, por exemplo,
DuPont e RTP Company. A primeira apresenta os dados completos de acordo com
as normas ASTM e ISO enquanto a outra apenas “transforma” os valores entre os
diferentes sistemas de unidades. Muito provavelmente, a RTP Company não tem
tantos recursos disponíveis para gerar todos os dados, mas quer atingir o maior
público possível e por isso lista as propriedades nas diferentes unidades.
Vale lembrar que os resultados apresentados são obtidos em testes
realizados em corpos de prova corretamente moldados. Estes corpos de prova são
dimensionados (e cada norma geralmente determina dimensões próprias) para que
os resultados sejam reprodutíveis e os melhores possíveis para uma determinada
propriedade. Além disso, como citado anteriormente, as propriedades dos materiais
são afetadas pelo processamento e, para a obtenção dos corpos de prova, os
fabricantes utilizam as melhores condições possíveis, algo nem sempre encontrado
no dia-a-dia das empresas.
Adicionando-se a isso a incerteza dos dados em si, percebe-se que não se
deve dar uma importância demasiadamente grande ao padrão utilizado. Não que o
padrão utilizado não seja importante (é preciso ter um padrão), mas que a incerteza
dos dados e o distanciamento entre a realidade das normas e a realidade dos
projetos é muitas vezes maior do que a diferença que poderia vir da modificação do
padrão adotado.
Há ainda a diferença nas unidades em que os valores são reportados. Talvez
a mais intrigante é a das unidades dos testes de impacto Izod e Charpy entre ASTM
e ISO. A ASTM especifica a unidade de (J/m) como medida de energia, enquanto
que a ISO especifica que os resultados dos testes devem ser dados em (kJ/m2), que
é uma medida de energia por unidade de área. Assim, não é possível converter uma
unidade na outra, o que muitas vezes parece ser inconsistente e faz com que muitas
pessoas tentem comparar os resultados dos dois tipos de ensaio, sem sucesso.
97
Outros pontos importantes:
• As empresas produzem produtos e não corpos de prova. Assim, não se
deve levar os resultados apresentados em uma folha técnica de dados
como especificações ou mesmo como propriedades dos materiais que serão
atingidas em uma peça durante a sua produção;
• As normas e os corpos de prova projetados para elas são pensados
para obter resultados consistentes, repetitivos e com pouca variabilidade.
Deste modo, a típica variabilidade de produção e de outros “designs” será
sempre maior que a variabilidade que se pode encontrar em resultados
obtidos em corpos de prova;
• Os materiais poliméricos podem apresentar muitas variações de
propriedades de acordo com a geometria da peça, com variações advindas
do processamento em si;
Assim, deve-se tomar muito cuidado quando se compara duas folhas
técnicas de dados de materiais para a escolha de um material para um projeto, pois
além dos aspectos discutidos no Apêndice A, outros fatores, como por exemplo,
forma, processamento e ambiente de uso da peça podem afetar grandemente as
propriedades de um material, fazendo com que elas sejam bastante diferentes
daqueles constantes das folhas técnicas dos materiais.
98
APÊNDICE C – Mapas de Propriedades dos Materiais
Uma breve discussão sobre Mapas de Propriedades dos Materiais e Índices de
Mérito.
Os mapas de propriedades de materiais são uma maneira de se dispor as
propriedades dos materiais proposto por Ashby (1989). Normalmente elas são
apresentadas como uma lista ordenada ou ainda um gráfico de barras, como aquele
mostrado na Figura 44.
Figura 44: Gráfico de barras mostrando a temperatura de distorção térmica de diversos materiais. Cada barra mostra o quanto a propriedade pode variar para uma mesmo material. Adaptado de Mano (1991).
1. LDPE 2. HDPE 3. PP 4. PS 5. PVC 6. PTFE 7. PVAC 8. PMMA 9. PAN 10. ER 11. PET 12. PC 13. GRP 14. PA6 15. PA11 16. PA6.6 17. PA6.10 18. PR 19. UR 20. MR 21. PU 22. NR * Não aplicável
99
Porém, o desempenho de um componente raramente depende de uma única
propriedade, e sim de uma combinação delas. Tem-se como exemplo a relação
rigidez/peso ou mesmo resistência mecânica/peso. Ashby (1989) propôs que se
fizesse uma representação gráfica de uma propriedade versus a outra, de maneira a
formar um mapa com campos definidos para cada uma das classes dos materiais,
sendo que os eixos do gráfico são formatados em escala logarítmica para que
possam incluir todas as classes de materiais. Isto faz com que estes mapas
permitam a visualização de todas as famílias de materiais em coordenadas
cartesianas que representam pares de propriedades.
Assim, esses mapas são representações gráficas bidimensionais nas quais os
eixos representam duas propriedades que são plotadas em escalas logarítmicas. Um
exemplo de mapa pode ser visto na Figura 45.
Figura 45: Mapa de propriedade dos materiais, Resistência mecânica versus densidade para diversos materiais. Fonte: Ferrante (1996).
100
O verdadeiro valor do seu método, porém, aparece quando da utilização dos
Índices de Mérito (IM). Este conceito, também introduzido por Ashby (1989), é na
verdade uma fórmula algébrica que permite expressar o compromisso entre duas
propriedades de um material. Na sua forma mais simples, um IM pode ser
simplesmente a propriedade ou o seu inverso, mas na maioria dos casos ele é
descrito por uma fração, onde o denominador é aquela propriedade que deve ser
minimizada e o numerador aquela que deve ser maximizada (SANTOS; FERRANTE,
2003).
Para cada caso específico, é possível identificar ou deduzir um ou mais IMs
que sejam úteis para o projeto e, embora se apresente de forma bem simples, pode
se tornar bastante difícil em outras, principalmente nos caso reais onde múltiplos
objetivos conflitantes estão envolvidos.
Em seu artigo introdutório, Ashby (op.cit.) deduziu vários destes índices de
mérito. Para o exemplo de uma barra em tração, a barra de menor peso que resiste
a uma determinada força é aquela em que E/� tiver o maior valor. Para o caso de
uma barra em flexão, este índice é para o maior valor de E1/2/�. Para uma placa em
flexão, este índice é para o maior valor de E1/3/�.
Para facilitar a sua aplicação, os índices são representados por linhas retas
superpostas ao gráfico, e assim pode-se definir a eq.(1):
ρE
C = onde C é uma constante. (1)
Escrevendo de outra maneira, tem-se a eq. (2):
ρ×= CE (2)
Utilizando logaritmos para que o resultado no gráfico seja uma reta, tem-se a
eq.(3):
ρlogloglog += CE (3)
101
A eq (3) representa uma família de linhas retas de inclinação 1, sendo uma
linha para cada valor de C. Os índices de E1/2/� e E1/3/�, conduzem a famílias de
retas de inclinação 2 e 3 respectivamente. Existem inúmeros critérios como estes, ou
índices de mérito (IM) que podem ser utilizados em SMPF, e alguns são
apresentados na Tabela 3, que foi adaptada por Ferrante (1996) a partir do trabalho
de Ashby (1989).
Tabela 3: Alguns índices de mérito utilizados em projeto. Fonte: Ferrante (1996).
Dentre todas as propriedades dos materiais, tipicamente dez se destacam
como sendo as mais importantes e estão listadas, juntamente com seus símbolos e
unidades, na Tabela 4.
102
Tabela 4: Principais propriedades dos materiais segundo Ashby (1992).
Propriedade Símbolo Unidade Densidade � Mg/m3 Módulo Elástico (ou de Young) E GPa Resistência a tração �y MPa Tenacidade a Fratura KIc MPa.m1/2 Tenacidade GIc J/m2 Coeficiente de amortecimento � - Condutividade Térmica � W/m.K Difusividade Térmica A m2/s Calor Específico volumétrico Cp� J/m3.K Coeficiente de Expansão Térmica
� 1/K
Um exemplo de mapa de propriedades e a utilização dos índices acima,
marcadas como linhas-guia para minimização de peso, podem ser vistos na Figura
46.
Figura 46: Mapa de propriedade dos materiais no espaço Módulo de Elasticidade versus densidade, com as diversas classes dos materiais e as linhas guia para minimização de peso.
103
Pode-se entender a utilização destas linhas por meio de um exemplo. Para o
mapa apresentado, se dois materiais estiverem sobre uma mesma linha, eles
apresentam desempenhos semelhantes, enquanto um material que esteja em uma
linha paralela acima terá um desempenho melhor e um abaixo terá um desempenho
inferior. Neste caso, um melhor desempenho significa ou uma deflexão menor para a
mesma massa do componente ou um mesmo valor de deflexão para uma massa
menor.
As mais diversas combinações de propriedades podem ser visualizadas desta
maneira, e no artigo original de Ashby (1989) são citadas o que o autor considera
como as dez mais importantes, e que dão origem a 10 mapas originais de
propriedades dos materiais. São eles:
• Módulo elástico versus densidade
• Resistência mecânica versus densidade
• Tenacidade a fratura versus densidade
• Módulo elástico versus resistência mecânica
• Tenacidade a fratura versus módulo elástico
• Tenacidade a fratura versus resistência mecânica
• Coeficiente de amortecimento versus módulo elástico
• Condutividade térmica versus difusividade térmica
• Coeficiente de expansão térmica linear versus módulo elástico
• Resistência mecânica especifica versus coeficiente de expansão
térmica linear
Quando da publicação destes gráficos em um livro (ASHBY, 1992) e apesar
de este estar protegido pelos direitos autorais, o próprio autor recomenda, no
prefácio do livro, que sejam feitas cópias dos gráficos publicados como maneira de
facilitar e disseminar o uso dos mesmos, desde que citada a referência.
104
APÊNDICE D – Biografia
José Alex Piccolo Sant´Anna
Engenheiro de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos,
Mestrando do Programa de Pós-graduação da Escola Politécnica da Universidade
de São Paulo na área de seleção de materiais. Atua na área de plásticos desde
1998 com os mais diversos tipos de polímeros, em extrusão, injeção e sopro, nas
áreas de vendas, assistência técnica, desenvolvimento de produto e de mercado.
Atualmente é Gestor de Clientes da área de Polímeros Especiais da Solvay Química
Ltda., sendo responsável por desenvolvimento de novas aplicações e mercados
para a América do Sul.
É autor de diversos artigos técnicos, científicos e de divulgação além de
palestrante sobre assuntos como astronomia, divulgação científica, ensino de
engenharia, embalagens, seleção de materiais, transformação de peças de metal
para plástico, nanocompósitos e polímeros de uso especial.
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